發(fā)布時間：2020-06-12 17:05

【摘要】：由于具有優(yōu)異的綜合性能,如高硬度,化學惰性,較低的摩擦系數等,類石墨非晶碳膜(Graphite like amorphous carbon film,GLC)薄膜受到廣泛關注,已成為提高海洋工程裝備關鍵運動部件摩擦學性能的優(yōu)選材料之一。但是在海洋環(huán)境載荷服役中,存在力學和電化學的共同作用,GLC薄膜容易從基體剝落損傷,從而限制其實際應用。通過組分結構的設計優(yōu)化,是實現薄膜強韌且抗磨蝕的關鍵途徑。為此,本論文聚焦海洋工程裝備關鍵運動部件對高性能防護涂層的迫切需求,重點通過過渡層/界面、多層結構、表面功能層等結構調控,設計制備了系列GLC薄膜,并深入研究了薄膜在海水“浸泡-磨蝕”工況下的服役行為,結合薄膜磨蝕前后物性分析及磨蝕中的原位電化學檢測,闡明了GLC結構與磨蝕性能之間的構效關系。相關結果為設計、發(fā)展海工裝備用高性能碳基薄膜材料技術提供了重要基礎。首先,根據碳與金屬的成鍵特征,選擇Cr、Ti、W為金屬過渡層元素,采用直流磁控濺射,制備了不同過渡層/界面結構的Cr/GLC、Ti/GLC、W/GLC薄膜體系。采用電子能量損失譜(EELS),重點研究了不同金屬過渡層對界面結構、表面GLC薄膜鍵態(tài)的影響,分析了人工海水環(huán)境下薄膜的摩擦學行為。結果表明:Cr/GLC薄膜的sp~2雜化鍵含量最高,沿GLC表面到鉻碳界面方向,sp~2雜化鍵含量逐漸增大;Ti過渡層和W過渡層對表界面的sp~2雜化鍵含量作用不明顯。此外,Cr/GLC薄膜因高的sp~2雜化鍵含量,利于后續(xù)摩擦過程中形成石墨轉移膜呈現良好潤滑特性;同時呈現最高的腐蝕電位-0.16 V和最低的腐蝕電流密度4.42×10~(-9) A/cm~2。因此相較于Ti、W作過渡層的GLC薄膜,Cr/GLC薄膜在海水環(huán)境下的減摩潤滑性能更優(yōu)。基于優(yōu)化的Cr過渡層研究,進一步制備了五種不同厚度比(1:2、1:3、1:5、1:10、1:20)以及多層結構的Cr/GLC薄膜,研究了厚度比對Cr/GLC薄膜微結構、力學及磨蝕性能的影響。發(fā)現:對于單周期體系Cr過渡層和比例為1:3的GLC體系,薄膜具有最低的摩擦系數0.059與最低的磨損率6.0×10~(-8) mm~3/Nm;但因薄膜生長間隙、針孔等缺陷,貫穿性腐蝕通道的存在為電化學反應提供了離子交換通道,Cr/GLC薄膜在摩擦與腐蝕協(xié)同作用下發(fā)生局部剝落和失效;合理設計多層結構,薄膜韌性不僅提高13%,且因多層阻礙貫穿性腐蝕通道,極化電阻提高至1.1×10~7Ωcm~2,耐蝕性提高;在海水環(huán)境摩擦測試下,薄膜磨損率僅為2.3×10~(-8) mm~3/Nm,呈現良好強韌抗磨蝕特性。進一步提高薄膜耐腐蝕性,研究了調制周期為1000 nm、500 nm、333 nm、250 nm的Cr/GLC多層薄膜的磨蝕性能。研究表明:隨調制周期的減小,Cr/GLC薄膜的I_(D/)I_G與G峰峰位在3.13和1552 cm~(-1)附近小幅波動;硬度H與衡量韌性的參數H~3/E~2逐漸增大;其中,當調制周期為250 nm時,H和H~3/E~2值最大,分別為20.03±0.59 GPa和0.214。電化學阻抗譜Nyquist和Bode圖表明:減小調制周期,極化電阻先增大后減小;其中,調制周期為250 nm時薄膜從基體剝落,結合Mott-Schottky曲線分析,可知薄膜失效歸因于頂層厚度減小引起的缺陷增加;隨后對調制周期為250 nm的薄膜進行頂層加厚結構設計,實現了摩擦系數降至0.045,磨損率降至3.17×10~-77 mm~3/Nm�？紤]實際工況下,薄膜會存在長時間浸泡再啟動的海水間歇式磨蝕,以優(yōu)化Cr/GLC多層薄膜為例,研究了在人工海水溶液中分別浸泡4 h-48 h后薄膜的磨蝕性能變化。發(fā)現:當浸泡從4h延長到48h后,Cr/GLC薄膜摩擦系數從0.070變化為0.085,磨損率先減小后增加,其中在浸泡12 h達到最小值5.20×10~(-7)mm~3/N。磨蝕前后的電化學阻抗譜結果表明:Cr/GLC多層薄膜的磨蝕性能取決于機械滑動所帶來的薄膜孔洞增多和腐蝕產物對孔洞的填充兩者間的競爭。在4.6 wt.%NaCl溶液中的阻抗值顯示,鈣鎂化合物的生成是影響Cr/GLC多層薄膜在人工海水環(huán)境下腐蝕和磨蝕性能隨浸泡時間變化的主要因素。
【圖文】：

圖 1.1 摩擦磨損交互作用示意圖Fig 1.1 Possible interactions between corrosion and the various wear mechanisms1.1.2.1 海洋環(huán)境下的沖蝕行為海洋環(huán)境下的沖蝕行為主要來源于空化（也被稱為氣蝕）或固體顆粒的沖擊。在船舶和航行器工作的過程中，隨著蒸汽壓力不斷由高到低變化而產生空泡，氣泡的反復形成與破壞對材料造成局部腐蝕，在固體近表面破壞的氣泡可以形成高速的微型液體噴流（直徑為 100 μm，沖擊速度大于 300 m/s）到達固體表面，形成高速水錘和液體壓力，造成工程合金材料的損失或金屬材料表面薄膜的損傷[5]。與其余液相系統(tǒng)一樣，海洋環(huán)境下材料的空化損傷也來源于表面氣蝕和腐蝕的共同作用。當海水或者運輸石油的管道中石油含有沙粒時，空化與固體顆粒的沖擊一起發(fā)揮作用，造成材料加速損傷，帶來巨大的經濟損失。因此空蝕行為的研究引起了大量研究者的關注。Ogino[6]等研究了馬氏體 431 不銹鋼在，0.1 N HCl 和

第一章 緒論一個分支。海洋環(huán)境下的滑動磨蝕行為特指包含了機械和化學/電化學作擦行為，在交互作用下，材料在滑動磨蝕過程中的腐蝕速率大于其在靜態(tài)的腐蝕速率，，同樣材料的磨損量也由于腐蝕作用的存在而加大�；瑒幽ノg，鈍化膜或氧化膜的形成與破損對材料的使用壽命產生了至關重要的影.2 給出了滑動磨蝕過程中可能引入的研究變量[9]。然而除去圖中的變量，要的變量仍未得到有效的研究和充分的重視：如滑動磨蝕過程中材料損傷原位反饋，以及鈍化/氧化膜的恢復時間和恢復之后的成分組成變化等。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院寧波材料技術與工程研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 胡建朋;劉智勇;胡山山;李曉剛;杜翠薇;;304不銹鋼在模擬深海和淺海環(huán)境中的應力腐蝕行為[J];表面技術;2015年03期

2 趙向博;顧彩香;張小磊;;不銹鋼腐蝕影響因素分析及防腐蝕性能研究進展[J];全面腐蝕控制;2014年03期

3 劉銀水;吳德發(fā);李東林;趙旭峰;李曉暉;;海水液壓技術在深海裝備中的應用[J];機械工程學報;2014年02期

4 嚴新平;白秀琴;袁成清;;試論海洋摩擦學的內涵、研究范疇及其研究進展[J];機械工程學報;2013年19期

5 匡蒙生;胡偉民;郭愛紅;吳始棟;蔣鵬;;鈦及鈦合金在美海軍艦船上的應用[J];魚雷技術;2012年05期

6 張志娟;程曉英;;間隙腐蝕對系泊鏈鋼在海水中短期腐蝕行為的影響[J];上海金屬;2011年06期

7 趙文杰;王立平;薛群基;;織構化提高表面摩擦學性能的研究進展[J];摩擦學學報;2011年06期

8 王永欣;王立平;薛群基;;金屬摻雜高硬度類石墨薄膜結構及其摩擦學性能研究[J];摩擦學學報;2011年01期

9 杜敏;孫兆棟;;410不銹鋼在海水中陰極極化行為的研究[J];中國海洋大學學報(自然科學版);2010年09期

10 陳新春;彭志堅;付志強;王成彪;;梯度摻雜和納米多層調制類金剛石薄膜的摩擦學性能[J];中國表面工程;2010年02期

相關碩士學位論文 前3條

1 毛振東;系泊鏈鋼的摩擦磨損與性能研究[D];江蘇科技大學;2011年

2 向先保;杭州灣海水環(huán)境下水泵轉動部件失效機理分析及耐磨陶瓷涂層防護研究[D];上海交通大學;2007年

3 袁利華;新型高鋁青銅組織及腐蝕磨損行為的研究[D];蘭州理工大學;2005年

本文編號：2709839