Page 13 - 摩擦学学报2025年第5期

第 45 卷 第 5 期 摩擦学学报（中英文） Vol 45 No 5
2025 年 5 月 Tribology May, 2025

DOI: 10.16078/j.tribology.2024207 CSTR: 32261.14.j.tribology.2024207
冯海燕, 丁佳晴, 刘政宇, 魏徐兵, 陈赞, 卢诗琪, 尹萍妹, 陈凯, 张德坤, 张广安, 李晓伟. 油田环境下Si/N-DLC涂层的摩擦磨损
行为及润滑机理[J]. 摩擦学学报（中英文）, 2025, 45(5): 647−664. FENG Haiyan, DING Jiaqing, LIU Zhengyu, WEI Xubing,
CHEN Zan, LU Shiqi, YIN Pingmei, CHEN Kai, ZHANG Dekun, ZHANG Guangan, LI Xiaowei. Insight to Tribological and Wear
Behaviors and Lubrication Mechanism of Si/N-DLC Film in Oilfield Environment[J]. Tribology, 2025, 45(5): 647−664.

油田环境下Si/N-DLC涂层的摩擦

磨损行为及润滑机理

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冯海燕 , 丁佳晴 , 刘政宇 , 魏徐兵 , 陈 赞 , 卢诗琪 , 尹萍妹 ,
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1
陈 凯 , 张德坤 , 张广安 , 李晓伟 1*
(1. 中国矿业大学 材料与物理学院，江苏 徐州 221116；
2. 中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；
3. 新疆大学 机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830017)

摘 要: 采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在不同SiH 4 /N 2 流量比条件下沉积了Si/N-DLC涂层，研究了
涂层微观结构、力学性能和在油田环境下的摩擦磨损行为对SiH 4 /N 2 流量比的依赖性，重点分析了润滑和失效机理.
结果表明：所制备的Si/N-DLC涂层表面光滑[粗糙度(R a )< 2.00 nm]，无微观缺陷和裂纹. 随SiH 4 /N 2 流量比的减小，涂
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2
层中Si原子分数逐渐减小(6.98%~0.00%)，N原子分数逐渐增加(0.00%~6.37%)，涂层结构由sp 向sp 转变，导致硬度
和弹性模量整体降低，而韧性和结合力均得到了较为显著的改善；油田环境下的摩擦学性能先增强后减弱，其中Si 60 /N 40
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3
涂层体系展现出最优的摩擦学性能，摩擦系数低至0.024，磨损率低至1.80×10 mm /(N·m) (超低磨损)，其润滑机理
归因于固液复合润滑体系的形成. 在混合润滑状态下，涂层表面液体膜和磨斑表面石墨化转移膜协同作用，不仅使
摩擦剪切面发生转移，而且可有效阻碍摩擦界面的物质转移(进一步磨损)，从而显著降低了涂层摩擦系数并提高了
耐磨性. 相比之下，较高和较低SiH 4 /N 2 流量比下制备的涂层的磨损机制分别由磨粒磨损和腐蚀磨损主导，磨损率较
高甚至失效，相关结果为推动DLC涂层在油田环境下摩擦磨损防护提供了参考.
关键词: Si/N-DLC涂层; SiH 4 /N 2 流量比; 油田环境; 超低磨损; 润滑机理
中图分类号: TH117.1;TB321 文献标志码: A 文章编号: 1004-0595(2025)05–0647–18

Insight to Tribological and Wear Behaviors and Lubrication

Mechanism of Si/N-DLC Film in Oilfield Environment

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1
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FENG Haiyan , DING Jiaqing , LIU Zhengyu , WEI Xubing , CHEN Zan , LU Shiqi , YIN Pingmei ,
1
1
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CHEN Kai , ZHANG Dekun , ZHANG Guangan , LI Xiaowei 1*
(1. School of Materials Science and Physics, China University of Mining and Technology,
Jiangsu Xuzhou 221116, China;

Received 24 September 2024, revised 25 December 2024, accepted 26 December 2024, available online 28 May 2025.
*Corresponding author. E-mail: xbwei@cumt.edu.cn, Tel: +86-18202409036; E-mail: xwli@cumt.edu.cn, Tel: +86-15867273071.
This project was supported by the National Natural Science Foundation of China (52305237), the Open Fund of State Key
Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics (LSL-2310, LSL-2201) and the Material Science and
Engineering Discipline Guidance Fund of China University of Mining and Technology (CUMTMS202301).
国家自然科学基金项目(52305237)、兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放课题(LSL-2310, LSL-2201)和中国矿
业大学材料科学与工程学科引导课题(CUMTMS202301)资助.