類(lèi)石墨非晶碳膜與不同硅油構(gòu)建的固-油協(xié)同潤(rùn)滑研究

何 翕,莊佳偉,安廣萍,林燕飛,劉小強(qiáng)*,郝俊英

(1. 江西理工大學(xué) 材料冶金化學(xué)學(xué)部,江西 贛州 341000;2. 江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院,江西 贛州 341000;3. 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000)

類(lèi)石墨薄膜是1類(lèi)主要以sp2雜化鍵為主的非晶碳薄膜材料[1-2]. 該類(lèi)薄膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)、優(yōu)異的抗磨損性能、高透光度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性[3-5]，并且與類(lèi)金剛石薄膜(DLC)相比，其具有更低的內(nèi)應(yīng)力，在潮濕空氣和水環(huán)境中具有更優(yōu)異的摩擦學(xué)性能[3,6]. 但是，類(lèi)石墨非晶碳膜(GLC)同樣具有脆性大、與金屬基底結(jié)合強(qiáng)度有限等先天劣勢(shì). 研究表明，氫元素能夠顯著改善非晶碳薄膜的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能[7-10]. 氫離子注入技術(shù)具有高效且良好的反應(yīng)性，因此常被用于固體材料的表面改性[11-12]. 前期研究結(jié)果表明，氫離子注入使GLC薄膜的結(jié)合強(qiáng)度和韌性顯著改善，且其在干燥氮?dú)庀碌哪Σ翆W(xué)性能得到顯著提高[13].

另一方面，相對(duì)于單純的固體潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑，固-油協(xié)同潤(rùn)滑在縮短磨合期、降低磨損和增強(qiáng)潤(rùn)滑穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[14-18]. 硅油具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、黏溫特性和耐高溫性能，在航天航空等高技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的潤(rùn)滑中發(fā)揮了重要的作用[19-20]. 但硅油在邊界潤(rùn)滑條件下，尤其是用于金屬滑動(dòng)界面時(shí)，其摩擦系數(shù)較高且磨損較大，潤(rùn)滑效果不理想[19,21]. 因此，有必要通過(guò)構(gòu)建固-油復(fù)合潤(rùn)滑進(jìn)一步提升其抗磨減摩性能.

本文中通過(guò)氫離子注入改性前后的GLC碳膜與不同基團(tuán)封端的硅油構(gòu)建固-油復(fù)合潤(rùn)滑體系，研究改性前后GLC薄膜碳原子結(jié)構(gòu)及不同基團(tuán)封端硅油對(duì)邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下復(fù)合潤(rùn)滑行為的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 GLC薄膜的制備

利用非平衡磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)沉積GLC薄膜. 具體的制備過(guò)程如下：將鏡面拋光的304不銹鋼片分別用乙醇和丙酮超聲20 min，然后放入磁控濺射氣相沉積室中. 利用機(jī)械泵和分子泵將沉積室的真空度抽至4×10-4Pa. 當(dāng)腔體達(dá)到了預(yù)設(shè)的真空度時(shí)，利用Ar+轟擊不銹鋼基底，以除去表面的氧化層. 在純氬氣氣氛下，將基底偏壓設(shè)置為-60 V，電流設(shè)置為3.5 A，濺射純石墨靶，進(jìn)而在不銹鋼表面沉積GLC薄膜. 為了提高GLC薄膜與不銹鋼基底間的結(jié)合強(qiáng)度，在制備GLC薄膜前先在不銹鋼上沉積Cr層作為過(guò)渡層，其濺射電流為4 A. 所制備的薄膜厚度大約為1 800 nm.

1.2 氫離子注入改性GLC薄膜

采用等離子體浸沒(méi)離子注入(PIII)技術(shù)將氫離子注入到GLC薄膜中. 具體操作為將制備好的GLC薄膜放入注入室中，利用真空泵將注入室的工作壓力抽至7.3×10-2Pa. 氫離子注入的脈沖頻率為100 Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為30 μs，射頻放電功率為200 W，脈沖偏壓為30 kV，純氫氣的流速為18 sccm (標(biāo)況毫升每分鐘)進(jìn)入注入室. 注入時(shí)保持溫度低于50 ℃，再不做冷卻處理. 氫離子注入的深度大約為150 nm. 為方便描述，在本文的下文中將注入90 min的GLC薄膜樣品命名為樣品GLC-H 90 min.

1.3 摩擦磨損測(cè)試

采用WTM-2E可控氣氛微型摩擦儀(蘭州中科凱華科技開(kāi)發(fā)有限公司)進(jìn)行摩擦試驗(yàn). 摩擦使用的對(duì)偶球?yàn)镚Cr15軸承鋼球(直徑為6 mm，粗糙度為14 nm，彈性模量為219 GPa). 摩擦環(huán)境為大氣氣氛，濕度控制在50%左右. 滑動(dòng)速度為0.042 m/s，載荷為2 N. 采用4種不同基團(tuán)封端硅油，硅油的理化參數(shù)列于表1中.每個(gè)條件下的摩擦試驗(yàn)重復(fù)3次以保證試驗(yàn)的重復(fù)性.

表 1 不同硅油的參數(shù)Table 1 Parameters of different silicone oils

1.4 潤(rùn)滑模式的判斷

通過(guò)以下步驟分析在前述摩擦條件下GLC/硅油組成的固-油復(fù)合潤(rùn)滑體系的潤(rùn)滑模式. 首先，根據(jù)Hamrock-Dowson理論[22-23]，最小油膜厚度可以用如下無(wú)量綱公式(1)表示.

其中，Hmin=hmin/R，hmin為有量綱最小膜厚；U=ηV/E′R；G=αE′；W=F/E′R2；R是球的等效半徑(根據(jù)赫茲接觸理論計(jì)算)[24]，η為潤(rùn)滑介質(zhì)的黏度，V為滑動(dòng)速度，E′是摩擦面的等效彈性模量，F(xiàn)為正壓力，α為潤(rùn)滑介質(zhì)的黏壓系數(shù)，k為橢圓度系數(shù)(在點(diǎn)接觸中k≈1). 用理論最小膜厚與復(fù)合表面粗糙度之比可以區(qū)分潤(rùn)滑模式，根據(jù)公式(2)[25-26]計(jì)算出理論最小膜厚與復(fù)合表面粗糙度之比. 當(dāng)最小油膜厚度與摩擦副的綜合表面粗糙度的比值λ處于不同值時(shí)，對(duì)應(yīng)的潤(rùn)滑模式不同. 具體地，當(dāng)λ＜1時(shí)，摩擦副處于邊界潤(rùn)滑；1＜λ＜3時(shí)，摩擦副處于混合潤(rùn)滑；當(dāng)λ＞3時(shí)，摩擦副處于彈性流體潤(rùn)滑或流體動(dòng)力潤(rùn)滑[27].

其中，σ1和σ2為兩接觸面的粗糙度. 計(jì)算結(jié)果列于表2中，從表2中可知，不同基團(tuán)封端的硅油黏度雖然有差異，但是其λ值差異不大，可視為處于或接近邊界潤(rùn)滑狀態(tài). 在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，由于油膜很薄，所以通常油品黏度的差異對(duì)固-油復(fù)合潤(rùn)滑行為的影響較小.

表 2 各摩擦條件下的λ值Table 2 The λ values under various friction conditions

1.5 表征方法

采用拉曼光譜(Scientific LabRAM HR Evolution)和X射線光電子能譜(Thermo Scientific ESCALAB Xi+)表征氫離子注入改性前后GLC薄膜的化學(xué)結(jié)構(gòu). 采用原子力顯微鏡(Dimension Icon，Bruker)表征氫離子注入改性前后薄膜粗糙度的變化. 采用納米壓痕(G200，Agilent)表征氫離子注入改性前后GLC薄膜的硬度和彈性模量. 利用光學(xué)顯微鏡(奧特BK-POL系列)觀察摩擦后對(duì)偶球上磨斑和GLC薄膜上的磨損形貌. 利用3D輪廓儀(UP-Lambda，Rtec儀器科技有限公司)表征GLC薄膜磨痕處的磨痕輪廓和磨損體積(Vf)，并利用公式(3)計(jì)算磨損率(Wf)[28].

其中，Vf為薄膜表面磨痕的磨損體積；L為滑動(dòng)距離；FN為法向載荷.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉曼光譜與X射線光電子能譜分析

圖1所示為氫離子注入改性前后薄膜的拉曼光譜.由圖1可知，在1 000～2 000 cm-1處有1個(gè)寬峰，這是典型的非晶碳薄膜的拉曼特征峰. 氫離子注入改性后的GLC薄膜的特征峰對(duì)稱(chēng)性較未改性的GLC薄膜更低，這表明氫離子注入導(dǎo)致GLC薄膜的無(wú)序性增加[29].

同時(shí)通過(guò)高斯函數(shù)擬合后發(fā)現(xiàn)，氫離子注入前后GLC薄膜的D峰和G峰位置和峰強(qiáng)度比值(ID/IG)變化明顯，數(shù)值列于表3中，注入氫離子之后，G峰的半高寬(FWHM)略微增加，表明氫離子注入后的結(jié)晶度降低，與無(wú)序性增加結(jié)論一致. 同時(shí)薄膜的G峰向低頻移動(dòng)，且ID/IG比例由原來(lái)的3.33降低至0.86. 這意味著氫離子注入后，薄膜中的sp2雜化鍵的比例顯著降低[30]，類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)向類(lèi)金剛石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變.

Fig. 1 Raman spectra of GLC films before and after modification by hydrogen ion implantation圖 1 氫離子注入改性前后GLC薄膜的拉曼光譜

表 3 GLC薄膜的拉曼光譜擬合結(jié)果Table 3 Raman spectrum fitting results of GLC films

為了進(jìn)一步驗(yàn)證拉曼光譜分析結(jié)果，利用X射線光電子能譜(XPS)對(duì)氫離子注入前后薄膜的碳原子化學(xué)鍵結(jié)合能進(jìn)行分析. 圖2所示為氫離子注入改性前后的GLC薄膜C 1s的X射線光電子能譜. 利用高斯函數(shù)擬合得到4個(gè)擬合峰. 288.6 eV位置的峰歸屬為C=O鍵[31-32]，286.6 eV位置的峰歸屬為C-O鍵[31-32]，sp3雜化鍵和C-H鍵由于結(jié)合能交迭，可看成同一個(gè)成分，對(duì)應(yīng)的是285.1 eV處的峰[33]，284.5 eV處的峰歸屬為C=C鍵，屬于sp2雜化鍵[33-34].

XPS圖譜中sp3和sp2碳鍵的峰面積反映了碳膜表面2種雜化鍵的相對(duì)含量，結(jié)果列于表4中，氫離子注入前主要以sp2碳鍵形式存在，氫離子注入后sp2碳鍵向sp3碳鍵轉(zhuǎn)變，sp2/sp3比值顯著下降，這與拉曼光譜分析的結(jié)果吻合.

2.2 納米壓痕力學(xué)性能分析

Fig. 2 X-ray photoelectron spectra of films before and after modification: (a) original GLC; (b) GLC-H 90 min圖 2 改性前后薄膜的X射線光電子能譜：(a) 未改性的GLC薄膜；(b) GLC-H 90 min薄膜

表 4 GLC薄膜的XPS擬合結(jié)果Table 4 XPS fitting results of GLC films

表 5 氫離子注入改性前后薄膜的硬度與彈性模量Table 5 Hardness and elastic modulus of thin films beforeand after hydrogen ion implantation

利用納米壓痕儀表征氫離子注入前后GLC薄膜的硬度和彈性模量，其結(jié)果列于表5中. 由表5可知，氫離子注入后薄膜的硬度和彈性模量都略微地降低，這可能是因?yàn)楦咂珘合職潆x子破壞了sp2雜化鍵結(jié)構(gòu)，生成了含有缺陷且密度較低的CHx團(tuán)簇[35]. 但氫離子注入改性后的GLC薄膜的硬度與彈性模量的比值(H/E)增大，這預(yù)示著氫離子注入后薄膜的抗磨損性能增加[36]，這一點(diǎn)在前期的研究結(jié)果中已經(jīng)得到證實(shí)[13].

2.3 GLC碳膜與硅油復(fù)合的摩擦學(xué)性能分析

2.3.1 氫離子注入對(duì)固-油協(xié)同潤(rùn)滑行為的影響

將50 μL的羥烴基雙封端硅油滴在不同樣品表面進(jìn)行摩擦演示. 圖3所示為不同樣品的摩擦系數(shù)曲線和平均摩擦系數(shù). 其中，鋼摩擦副在羥烴基雙封端硅油潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)最大并且波動(dòng)很大，說(shuō)明單純硅油對(duì)于鋼摩擦副的潤(rùn)滑效果較差. 未改性的GLC薄膜在干摩擦下的摩擦系數(shù)在0.1～0.25之間. 但是，當(dāng)GLC薄膜與硅油復(fù)合摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)顯著降低. 特別是未改性GLC薄膜與硅油復(fù)合的摩擦系數(shù)低至0.02. 由此可見(jiàn)，GLC/硅油復(fù)合潤(rùn)滑體系存在顯著的協(xié)同效應(yīng)，能夠顯著降低鋼摩擦副之間的摩擦系數(shù).

另一方面，對(duì)比分析未注入氫離子的GLC薄膜和注入氫離子的GLC薄膜分別與羥烴基硅油復(fù)合時(shí)的摩擦系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，未注入GLC薄膜與硅油復(fù)合的摩擦系數(shù)明顯低于注入的GLC薄膜. 這表明在與羥烴基硅油復(fù)合時(shí)，氫離子注入對(duì)GLC薄膜的固-油復(fù)合的摩擦系數(shù)沒(méi)有明顯的改善作用. 這可能歸因于氫離子注入改性后的GLC薄膜的碳原子結(jié)構(gòu)不利于羥烴基硅油分子的吸附，這一點(diǎn)可以從薄膜表面的拉曼光譜得到證實(shí)，如圖4(a)所示. 未改性的GLC薄膜磨痕上300～500 cm-1處的Si-O彎曲振動(dòng)峰明顯強(qiáng)于改性后的GLC薄膜[37]，表明未改性的GLC薄膜磨痕處有更多的羥烴基硅油分子吸附，形成了更牢固的吸附膜. 這可能是由于未改性的GLC薄膜存在更多的sp2碳鍵，活躍的π電子能夠與硅油分子中的-OH基團(tuán)產(chǎn)生偶極誘導(dǎo)作用，使得更多的硅油分子吸附在薄膜上，形成更牢固的吸附膜，進(jìn)而產(chǎn)生更好的協(xié)同潤(rùn)滑效果. 另外，用高斯函數(shù)擬合磨痕處的拉曼光譜，結(jié)果如圖4(b)和(c)所示，并將G峰、D峰和強(qiáng)度比等信息列于表6中. 對(duì)比表3和表6可知，未注入氫離子的GLC薄膜在摩擦后的磨痕處的D峰與G峰的強(qiáng)度比基本沒(méi)有變化，但其半高寬顯著降低，表明摩擦后薄膜的有序性增加. 然而GLC-H 90 min薄膜在摩擦后磨痕處的D峰與G峰的強(qiáng)度比增加至2.73，表明摩擦后薄膜磨痕出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象，半高寬由183降低至127，材料的有序性顯著增加，這可能與摩擦過(guò)程中溫度的升高有關(guān).

Fig. 3 (a) Friction coefficient curves for different samples; (b) the average friction coefficient of different samples圖 3 (a) 不同樣品的摩擦曲線；(b) 不同樣品的平均摩擦系數(shù)

Fig. 4 Raman spectra of composite lubrication wear tracks of original and modified GLC films under synergistic lubrication.圖 4 改性前后GLC薄膜復(fù)合潤(rùn)滑的磨痕拉曼光譜

Fig. 5 Optical micrographs of wear scar of counter balls sliding with different substrates: (a,b) stainless steel-oil;(c,d) dry sliding on GLC; (e,f) original GLC-oil; (g,h) GLC-H 90 min-oil圖 5 對(duì)偶球及不同基底的表面磨痕光學(xué)顯微鏡照片：(a,b) 鋼配副油潤(rùn)滑；(c,d) 未改性的GLC膜干摩擦；(e,f) 未改性的GLC膜油潤(rùn)滑；(g,h) 改性后的GLC膜油潤(rùn)滑

表 6 GLC薄膜磨痕處的拉曼光譜擬合結(jié)果Table 6 Raman spectrum fitting results of wear track of GLC films

圖5所示為對(duì)偶球及其對(duì)應(yīng)樣品的磨痕形貌的光學(xué)顯微鏡照片. 從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，純鋼片在油潤(rùn)滑和未改性的GLC薄膜在干摩擦下的磨痕均比GLC/硅油復(fù)合潤(rùn)滑的磨痕更寬. 在對(duì)應(yīng)的對(duì)偶球上的磨斑寬度可以發(fā)現(xiàn)，純鋼片在油潤(rùn)滑和未改性GLC薄膜在干摩擦條件下的寬度分別為400和591 μm，而GLC/硅油復(fù)合潤(rùn)滑下的磨痕寬度明顯更小. 同時(shí)，可以觀察到固-油復(fù)合潤(rùn)滑體系的對(duì)偶球表面平整光滑，且對(duì)應(yīng)薄膜表面磨痕的犁溝較淺.

通過(guò)三維掃描輪廓儀測(cè)量了磨損體積并進(jìn)一步計(jì)算其磨損率(圖6). 從圖6可知，純鋼片在硅油潤(rùn)滑下的磨損率達(dá)到 4.83×10-5mm3/(N·m)，而未改性的GLC薄膜在干摩擦下的磨損率為 1.23×10-7mm3/(N·m)；然而當(dāng)GLC薄膜與硅油復(fù)合時(shí)，磨損率顯著降低，特別是在未改性的GLC膜與羥烴基硅油復(fù)合后的磨損率低至 5.3×10-8mm3/(N·m)，可見(jiàn)復(fù)合潤(rùn)滑體系能夠協(xié)同降低磨損，提高了抗磨損性能.

Fig. 6 Wear rate of different samples圖 6 不同樣品的磨損率

2.3.2 不同基團(tuán)封端硅油對(duì)固-油復(fù)合潤(rùn)滑的影響

Fig. 7 Friction coefficient curves of different friction pairs lubricated with four kinds of silicone oil: (a) steel; (b) GLC;(c) GLC-H 90 min; (d) average friction coefficient圖 7 不同摩擦副在4種硅油潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)曲線：(a) 不銹鋼；(b) 未改性的GLC薄膜；(c) 改性后的GLC薄膜；(d) 平均摩擦系數(shù)

圖7 所示為4種不同基團(tuán)封端的硅油在不同摩擦副界面的摩擦系數(shù)曲線和平均摩擦系數(shù). 從圖7(a)可以看出，在4種硅油潤(rùn)滑下，不銹鋼摩擦副的摩擦系數(shù)均較大，平均摩擦系數(shù)在0.2以上，且摩擦曲線波動(dòng)很明顯. 可見(jiàn)，在邊界潤(rùn)滑條件下，不同基團(tuán)封端硅油在不銹鋼摩擦副界面均沒(méi)有起到很好的減摩作用. 而當(dāng)硅油與GLC薄膜復(fù)合后，如圖7(b～c)所示，摩擦系數(shù)均顯著降低且摩擦系數(shù)曲線更穩(wěn)定. 此外，如圖7(d)所示，對(duì)比改性前后的GLC薄膜與4種硅油復(fù)合后的平均摩擦系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，除甲基硅油外，在其余3種硅油潤(rùn)滑下，未改性的GLC薄膜的摩擦系數(shù)均比改性后的GLC薄膜小. 這可能是由于未改性的GLC薄膜中的sp2碳成分更多，有更豐富的π電子與硅油中的極性封端基團(tuán)產(chǎn)生更強(qiáng)的偶極作用，使極性基團(tuán)封端的硅油分子更牢固地吸附在GLC表面；而甲基的極性比其他3種基團(tuán)的極性都要弱，與π電子產(chǎn)生的偶極作用較弱，導(dǎo)致甲基封端的硅油與2種GLC膜復(fù)合的摩擦系數(shù)沒(méi)有明顯差異. 由此可見(jiàn)，GLC薄膜中碳原子化學(xué)鍵對(duì)其構(gòu)建固-油復(fù)合潤(rùn)滑具有顯著影響，未改性GLC薄膜與極性基團(tuán)封端硅油具有最顯著的協(xié)同潤(rùn)滑效應(yīng)，而對(duì)于極性較弱或者非極性基團(tuán)封端的硅油，GLC膜表面碳原子化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)固-油復(fù)合潤(rùn)滑的影響不明顯. 此外，在含有雙極性基團(tuán)(氨丙基和羥烴基)封端的硅油潤(rùn)滑下比單極性基團(tuán)(羥基)封端的硅油潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)更低，這可能是由于硅油分子中有更多的極性基團(tuán)作為吸附活性位點(diǎn)，可以使更多的硅油分子能夠更加牢固地吸附在GLC薄膜上，進(jìn)而能提供更好的潤(rùn)滑作用.

圖8所示為不同硅油潤(rùn)滑下對(duì)偶球的光學(xué)顯微鏡照片. 從磨斑的寬度上看，羥烴基硅油潤(rùn)滑下，改性與未改性的GLC薄膜對(duì)應(yīng)的對(duì)偶球?qū)挾榷急绕渌栌蜐?rùn)滑下的對(duì)偶球的寬度大. 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是改性還是未改性的GLC薄膜所對(duì)應(yīng)的對(duì)偶球在甲基封端硅油潤(rùn)滑和羥基封端硅油潤(rùn)滑下的磨斑表面條紋較多. 相反地，雙極性封端硅油潤(rùn)滑下的磨斑表面光滑，表明雙極性封端硅油能夠更好地在碳膜和不銹鋼的摩擦界面產(chǎn)生拋光效應(yīng)，進(jìn)一步有利于摩擦系數(shù)的降低.

圖9所示為未注入氫離子的GLC薄膜在4種不同硅油潤(rùn)滑下磨痕的三維輪廓. 從圖9中可以看出，在羥烴基硅油潤(rùn)滑下，純鋼片的磨痕深度達(dá)到5 μm，磨痕寬度達(dá)到400 μm. 而在硅油的復(fù)合潤(rùn)滑條件下，未注入氫離子的GLC薄膜的磨痕深度和寬度顯著降低. 其中，羥烴基雙封端硅油潤(rùn)滑下的GLC薄膜磨損深度最小，僅約為50 nm. 這可能是雙羥烴基基團(tuán)封端硅油能夠與GLC薄膜中的π電子形成更強(qiáng)的偶極作用，摩擦界面能形成更牢固的吸附膜，減少了摩擦過(guò)程中摩擦界面微凸體的直接接觸，進(jìn)而降低了薄膜的磨損.

Fig. 8 Optical micrographs of wear scar of counter ball sliding against original and modified GLC under different silicone oil lubrication: (a,e) trimethylsiloxy-PDMS; (b,f) hydroxy-PDMS; (c,g) carbinol(hydroxy)-PDMS; (d,h) aminopropy-PDMS(the left column are the counter ball sliding against the original GLC film and the right column are the counter ball sliding against the GLC-H 90 min film)圖 8 改性前后GLC膜與不同硅油復(fù)合摩擦的對(duì)偶球磨斑光學(xué)顯微鏡照片：(a,e) 三甲基硅氧基硅油；(b,f) 羥基硅油；(c,g) 羥烴基硅油；(d,h) 氨丙基硅油(其中左列為未改性GLC薄膜對(duì)磨的對(duì)偶球，右列為改性GLC薄膜對(duì)磨的對(duì)偶球)

Fig. 9 (a,b) 3D profile images of wear tracks on stainless steel lubricated by carbinol(hydroxy)-PDMS；(c～j) 3D profile images of wear tracks on original GLC film lubricated by different silicone oil: (c,d) trimethylsiloxy-PDMS; (e,f) hydroxy-PDMS;(g,h) carbinol(hydroxy)-PDMS; (i,j) aminopropy-PDMS圖 9 (a,b)在羥烴基硅油潤(rùn)滑下不銹鋼表面磨痕的三維輪廓圖；(c～j)在不同封端硅油潤(rùn)滑下未改性GLC薄膜表面磨痕的三維輪廓圖[其中(c,d) 為三甲基硅氧基硅油；(e,f) 為羥基硅油；(g,h) 為羥烴基硅油；(i,j) 為氨丙基硅油]

Fig. 10 Wear rates of different samples lubricated with four kinds of silicone oil圖 10 不同樣品在4種硅油潤(rùn)滑下的磨損率

圖10 所示為不同樣品與不同類(lèi)型硅油復(fù)合潤(rùn)滑下的磨損率. 從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，GLC薄膜的磨損率顯著低于同類(lèi)型硅油潤(rùn)滑下的純不銹鋼摩擦副的磨損率. 此外，未改性的GLC薄膜的磨損率總體比改性后GLC薄膜的磨損率高. 一方面，這可能是由于氫離子注入改性后GLC薄膜的硬度與彈性模量的比值(H/E)增大，韌性增強(qiáng)，導(dǎo)致薄膜的抗磨損性能相應(yīng)提高. 另一方面，從對(duì)偶球的光學(xué)顯微鏡照片(圖8)可以發(fā)現(xiàn)，改性后的GLC薄膜的對(duì)偶球的磨損寬度更大，這意味著局部接觸壓力更小，減小了對(duì)偶球?qū)μ寄さ睦缦髯饔茫瑥亩贡∧つp率更小.

3 結(jié)論

本研究中利用氫離子注入對(duì)GLC薄膜進(jìn)行了表面改性，并對(duì)比研究了改性前后GLC碳膜與硅油構(gòu)建的固-油復(fù)合潤(rùn)滑體系的摩擦學(xué)性能. 研究結(jié)果表明，GLC薄膜碳原子化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)顯著影響了GLC/硅油固-油復(fù)合潤(rùn)滑體系的摩擦學(xué)性能. 相比于改性的GLC薄膜，未改性的GLC薄膜與極性封端硅油復(fù)合時(shí)具有更為優(yōu)異的減摩性能. 這可能是由于其主要以sp2雜化鍵存在，π電子能夠與硅油分子中的極性基團(tuán)產(chǎn)生偶極作用，使得更多的硅油分子吸附在薄膜的表面，形成更牢固的吸附膜，降低了滑動(dòng)界面的摩擦系數(shù). 但是，總體而言，注入改性的GLC膜由于力學(xué)性能的改善，其與多數(shù)類(lèi)型硅油復(fù)合后的抗磨損性能優(yōu)于未注入的GLC膜.