聚晶金刚石对磨陶瓷材料摩擦表界面结构演化机理

论文摘要

摩擦与磨损在一切带有运动部件的机械系统中几乎是不可避免的,它们常常是造成能量损失、机械故障和效率低下的主要原因,降低宏观机械运动界面间的摩擦磨损对能源节约具有重要的意义。为了减少摩擦的不利影响,人们试图通过使用不同的固体或液体润滑剂来改善摩擦表界面的配合状态,摩擦表界面的调控对整个摩擦学系统起着至关重要的作用,系统地认识摩擦表界面结构演化对从本质上揭示材料摩擦学行为具有重要意义。本文基于聚晶金刚石（PCD）拥有微米级多晶的结构特性进行研究,PCD在摩擦的过程中,微米级金刚石颗粒的解理伴随着金刚石颗粒的剥落,并逐渐演变成纳米金刚石以及纳米层状堆垛结构,为纳米尺度下实现非公度接触状态提供了多微凸体的优势,是设计实现超低/超滑摩擦界面的理想材料。本文通过系统探究聚晶金刚石对磨陶瓷材料摩擦表界面的结构演化机制,分析了金刚石颗粒向纳米金刚石、纳米层状洋葱碳以及石墨烯纳米片层的演变,揭示了界面材料的结构演化对聚晶金刚石摩擦学性能的影响。从本质上认识了聚晶金刚石与陶瓷材料界面间纳米层状材料以及纳米颗粒在界面的形成对实现界面局部非公度接触的作用,对实现稳定的宏观超滑具有重要意义。由于宏观尺度超滑的实现具有挑战性,界面结构演化的揭示对设计实现宏观尺度稳定超滑提供了思路,基于以上研究,本文的主要结论总结如下:（1）聚晶金刚石的减摩耐磨设计对其宏观应用的重要意义,聚晶金刚石与不同配副材料对磨时,由于摩擦不同的界面配合状态以及碳原子重杂化过程,导致不同的摩擦学行为。（2）揭示了界面胶体层的形成机制、胶体层内部纳米金刚石的演变过程、多层石墨烯纳米片以及纳米洋葱状富勒烯之间的相互作用以及结构重组机制。（3）揭示了金刚石颗粒的剥落、微米级金刚石向纳米金刚石的演变;揭示了金刚石相变导致其表面无序化的sp2-C层的形成,无序化sp2-C团簇逐渐向有序层状结构的演变、多层石墨烯纳米片的形成、以及纳米洋葱状富勒烯的形成,这些结构演变伴随碳基摩擦膜的形成;建立了碳基摩擦膜的形成与超低/超滑摩擦学行为之间的联系。

论文目录

• 中文摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 摩擦表界面的重要性
•     1.2.1 摩擦表界面相变与摩擦化学反应
•     1.2.2 摩擦表界面结构演变与摩擦学性能的关系
•     1.2.3 摩擦表界面的调控
•   1.3 超低摩擦/超滑的重要意义
•     1.3.1 超低/超滑的特点
•     1.3.2 超低/超滑摩擦界面的设计
•     1.3.3 实现宏观超滑的挑战及意义
•   1.4 纳米金刚石颗粒及二维材料在摩擦学中的应用
•     1.4.1 纳米金刚石及二维材料的结构特点
•     1.4.2 纳米金刚石及二维材料不同尺度下的摩擦学性能
•     1.4.3 纳米金刚石及二维材料在减摩设计中的应用
•   1.5 金刚石相关材料在摩擦界面中的结构演变
•     1.5.1 金刚石相变特点
•     1.5.2 金刚石结构在摩擦过程中的重杂化
•   1.6 聚晶金刚石摩擦学性能及其摩擦界面调控
•   1.7 聚晶金刚石宏观尺度超低摩擦或超滑性能的意义
•   1.8 本文拟解决的科学问题
•   1.9 本文的主要研究内容
•   1.10 本文的研究目的与意义
• 第2章 实验方法
•   2.1 技术路线
•   2.2 实验材料
•     2.2.1 聚晶金刚石材料的特性
•     2.2.2 对磨副材料选择
•   2.3 样品预处理
•   2.4 摩擦学实验参数
•   2.5 分析表征
•     2.5.1 光学形貌分析
•     2.5.2 三维形貌分析
•     2.5.3 SEM分析
•     2.5.4 拉曼分析
•     2.5.5 XPS分析
•     2.5.6 AFM分析
•     2.5.7 聚焦离子束（FIB）制样
•     2.5.8 TEM分析
• 第3章 碳基摩擦膜的形成对配副材料的依赖性
•   3.1 配副材料对PCD摩擦学行为的影响
•     3.1.1 不同配副材料对摩擦系数的影响
•     3.1.2 对磨球磨斑及磨痕表面的光学形貌
•     3.1.3 磨痕的二维及三维形貌
•     3.1.4 PCD与配副材料磨损率对比
•   3.2 摩擦界面碳原子重杂化过程分析
•   3.3 磨损表面的SEM分析
•     3.3.1 磨痕表面的SEM形貌
•     3.3.2 磨斑表面的SEM形貌
•   3.4 摩擦界面状态演变机理讨论
•   3.5 本章小结
• 第4章 碳基摩擦膜的形成机制
•   4.1 碳基摩擦膜的结构特点
•     4.1.1 碳基摩擦膜的表面形貌特征
•     4.1.2 碳基摩擦膜的截面形貌特征
•   4.2 碳基摩擦膜的化学特性
•     4.2.1 碳基摩擦膜截面EDS面扫描元素分布
•     4.2.2 碳基摩擦膜的拉曼分析
•     4.2.3 碳基摩擦膜的XPS分析
•   4.3 碳基摩擦膜中胶体层的形成与跑合期的关系
•     4.3.1 胶体层厚度与跑合期的关系
•     4.3.2 碳基摩擦膜中胶体层的形成机理
•   4.4 摩擦界面金刚石颗粒在胶体层中的演变
•     4.4.1 金刚石颗粒在胶体层中的嵌入状态
•     4.4.2 金刚石颗粒在胶体层演变模型的建立
•   4.5 碳基摩擦膜的形成机理讨论
•   4.6 本章小结
• 第5章 摩擦界面金刚石颗粒结构演变机制
•   5.1 金刚石颗粒在摩擦界面的剥落机制
•     5.1.1 磨屑中的金刚石颗粒
•     5.1.2 碳基摩擦膜界面中的金刚石颗粒
•     5.1.3 摩擦界面金刚石颗粒剥落演变模型图
•   5.2 金刚石中碳原子重杂化过程
•     5.2.1 金刚石颗粒表面的无序化
•     5.2.2 摩擦界面纳米多层洋葱状富勒烯的形成
•     5.2.3 摩擦界面石墨烯纳米晶堆垛结构的形成
•   5.3 SP2-碳结构在碳基摩擦膜中的演变过程
•     5.3.1 碳基摩擦膜极表面多层石墨烯纳米层的形成
•     5.3.2 纳米多层洋葱状富勒烯在碳基摩擦膜中的演变
•     5.3.3 石墨烯纳米晶在摩擦膜中的演变
•   5.4 摩擦界面金刚石颗粒结构演变机理讨论
•   5.5 本章小结
• 第6章 碳基摩擦膜的摩擦学性能及其机理探讨
•   6.1 聚晶金刚石宏观超低/超滑摩擦界面的摩擦学行为
•     6.1.1 聚晶金刚石宏观摩擦学特性
•     6.1.2 聚晶金刚石宏观摩擦学机理总结
•   6.2 实现真空超滑的碳基摩擦膜的设计
•     6.2.1 聚晶金刚石真空超滑特性
•     6.2.2 实现真空超滑的碳基摩擦膜结构特点及减摩机理
•   6.3 酸性液体环境调控的超滑摩擦界面设计
•     6.3.1 液体调控聚晶金刚石的宏观超滑特性
•     6.3.2 液体调控的超滑摩擦的碳基摩擦膜结构特点及减摩机理
•   6.4 碳基摩擦膜超滑特性对环境的依赖性
•   6.5 碳基摩擦膜的纳米尺度摩擦学性能
•   6.6 碳基摩擦膜与实现超低/超滑机理讨论
•   6.7 本章小结
• 第7章 结论与展望
•   7.1 本文的主要研究结论
•   7.2 对下一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读学位期间研究成果
•   1.学术论文发表情况
•   2.参加学术会议情况
•   3.获奖情况
•   4.参与项目情况

文章来源

类型: 博士论文

作者: 秦文波

导师: 岳文

关键词: 聚晶金刚石,摩擦界面,结构演化,碳基摩擦膜,摩擦学性能

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 中国地质大学(北京)

基金: “国家自然科学基金面上项目(51875537),聚晶金刚石摩擦表界面钝化机制与转移膜形成机理”,“国家自然科学基金面上项目(41572359),聚晶金刚石表界面摩擦效应及其微观磨损机制”,“中国地质大学(北京)“求真学人资助计划”(53200859604),聚晶金刚石表界面调控与损伤失效机理”项目,“中央高校基本科研业务费(53200759735),聚晶金刚石真空超低摩擦性能研究”项目,“中央高校基本科研业务费项目(2652018112),聚晶金刚石真空超低摩擦性能研究”

分类号: TB383.1;O313.5

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001562

总页数: 137

文件大小: 22242K

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