Page 47 - 《摩擦学学报》2021年第4期

490 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

4.0 2 200
(a) 10 min 30 min 60 min (b)
90 min 120 min 180 min 3.5 2 100
225 min Al 2 O 3 reference
3.0 2 000
G peak
Intensity/a.u. I D /I G 2.5 1 900 G peak position/cm −1
D peak
2.0
1 800
1.5 1 700
I D /I G
1.0 1 600
G peak
0.5 1 500
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 0 30 60 90 120 150 180
2
Raman shift/10 cm −1 Time/min

Fig. 8 Raman spectra of the wear scars of Al 2 O 3 counterpart in dry N 2 ：(a) after 10~225 min friction；(b) I D /I G and G peaks position
图 8 N 2 中摩擦的(a)Al 2 O 3 对偶球磨斑拉曼谱图及(b)I D /I G 和G峰峰位变化

质更多，对应Raman光谱中D峰的相对强度也更高. 结 从以上结果来看，在N 环境中，最终的摩擦发生
2
2
合图2(b)磨损率分析可以得知，摩擦10 min时对偶表 在两个富sp 结构的界面之间，从而降低了摩擦界面间
面尚未形成具有典型DLC特征的碳转移膜，因此磨损 的摩擦与磨损. 并且可以很明显地看到，N 中摩擦比
2
率及磨损深度较大，随着具有典型DLC特征的碳转移 空气中摩擦更易在对偶球上形成具有典型DLC特征
膜的形成，磨损率降低，并在一定范围内保持稳定，说 的碳质转移膜，这可能有两方面的原因：一方面是因
明具有典型DLC特征的碳转移膜的形成及稳定存在 为N 吸附在滑动界面上可以减少两对摩表面的直接
2
才是减摩耐磨的关键. 接触；另一方面是由于吸附所引起的电子排斥为弱相
为了证实以上结论，分别对空气及N 中摩擦10和 互作用. 这两方面因素使得具有典型DLC特征的碳转
2
120 min的对偶球表面磨斑进行EDS组成分析. 图10为 移膜一旦形成便很难在摩擦过程中被破坏. 因此我们
根据EDS面扫结果计算出的不同磨斑的C/O比值. 从 认为是两者的协同效应共同作用保证了N 环境中的
2
图10中可以看到摩擦10和120 min时，空气中C/O比值 低摩擦和长耐磨寿命. 这也是空气中摩擦系数和磨损
分别为1.0和2.2，而N 中C/O比值则分别为1.5和3.3，说 率均比N 中高的原因：由于氧化铝对C的粘附作用很
2
2
明N 中形成的转移膜中的碳含量明显高于空气中的， 弱，转移膜很难在对偶表面稳定存在；此外由于空气
2
证实了转移膜在N 中形成得更快且更稳定；此外，摩 中DLC薄膜内的碳会与水分子反应产生亲水性的含
2
[32]
擦120 min形成的转移膜中的碳含量也比摩擦10 min 氧基团 ，水蒸气很容易在亲水性表面上冷凝形成
时的多. 说明随着时间增加，转移膜中碳含量是增加 1层液体层，当两个液体层相互接触时，会引起很大的
的，最终会形成具有典型DLC特征碳转移膜，导致摩 黏性力，造成相对较高的摩擦系数 .
[33]

擦界面的“石墨化”现象.
3 结论
3.5
Air a. 通过选取Al O 作为对偶球做不同时间的摩擦
2
3
3.0 N 2
试验，发现a-C:H薄膜在干燥N 中的摩擦系数(0.009)
2
2.5
明显低于空气中的(0.05)摩擦系数，在空气中磨穿时
2.0 −7 3
C/O 磨损率为1.4×10 mm /(N·m)，在干燥氮气中磨穿时磨
1.5 −8 3
损率为2×10 mm /(N·m)，除了具有低摩擦磨损外，a-C:H
1.0
薄膜在氮气中摩擦也比在空气中摩擦具有更长的磨
0.5
损寿命.
0.0
10 120 b. 形貌及微观结构分析表明，a-C:H薄膜在摩擦
Time/min
过程中形成的转移膜确实可以降低摩擦磨损，但干燥

Fig. 9 The C/O ratio of the wear scars of Al 2 O 3 counterpart
氮气可以保护摩擦界面，形成具有典型DLC特征的碳
in air and dry N 2 for 10 and 120 min
转移膜并使其稳定存在，进一步降低摩擦磨损并增加
图 9 空气及N 2 中摩擦10和120 min时Al 2 O 3 对
偶球磨斑C/O比值 磨损寿命.