Page 16 - 摩擦学学报2025年第5期

650 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

表 2 摩擦测试参数
Table 2 Detailed parameters of friction tests
Full amplitude Normal load Sliding frequency Sliding distance Counterpart (diameter) Temperature
5 mm 5 N 5 Hz 200 m Al 2 O 3 (6 mm) 25.0±2.5 ℃

表 3 模拟油田产出水的化学组成
Table 3 Chemical composition of simulated oilfield produced water
Chemical NaHCO 3 MgSO 4 CaCl 2 NaCl K 2 SO 4 Na 2 SO 4
Concentration/(mg/L) 2 900 37.5 105 7 300 7 4 880

V A×l
W = = (1) 形貌，均匀致密，与采用SEM观察到的表面形貌一致.
L× D L× D
进一步基于2D和3D形貌，获得了涂层粗糙度相关的
其中，W为涂层的磨损率；V为磨损体积；L为法向载
参数，包括面平均粗糙度(R )、根均方粗糙度(R )和最
荷；D为滑动距离；A为磨痕的横截面积；l为磨痕长度. a q
为进一步理解上述涂层在模拟油田产出水环境中 大粗糙度(R max )，分别如图2(b)、(c)和(d)所示. 总体而
言，涂层面平均粗糙度R (0.97~2.00 nm)和根均方粗
的摩擦机制，采用光学显微镜(AXIO Lab. A1, ZEISS, a
糙度R (1.23~2.48 nm)均在很小的范围内变化，且保
Germany)和三维轮廓仪(MicroXAM-800, KLA-Tencor, q
USA)获取摩擦测试后磨痕和磨斑的表面形貌；同时采 持在1个较低的水平，表明沉积的Si/N-DLC涂层具有

用Raman光谱仪和微区XPS (ESCALAB 250Xi, Thermo 纳米级光滑表面，有助于缩短摩擦跑合期并实现低摩
Scientific, USA)进一步表征了涂层摩擦测试前后结构 擦. 值得注意的是，随着SiH /N 流量比的减小，涂层
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的转变情况，其中微区XPS测试采用“采谱+刻蚀+采 粗糙度整体上呈现1个缓慢上升的趋势，主要归因于N
谱”模式，测试区域大小在50~100 μm之间；最后，采用 和Si掺杂对涂层结构的影响. 具体而言，N掺杂会促进
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能量色散谱(EDS, Xplore 30, Oxford, UK)和FESEM获 sp -C团簇的形成 [33-34] ，从而使得涂层粗糙度增加 ，而
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取了摩擦测试后磨斑表面的化学成分和分布，分析摩 Si掺杂有助于sp -C结构的形成(破坏sp 环结构) [36-37] ，
擦过程中摩擦界面的物质转移. 降低其粗糙度. 因此，随着SiH /N 流量比的减小(即
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N含量增加和Si含量减少)，涂层粗糙度呈现缓慢增加
2 结果与讨论 趋势，而SiH /N 流量比对涂层微观结构的影响将在后
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2.1 Si/N-DLC的微观结构 续进行详细的讨论.
首先对在不同SiH /N 流量比条件下沉积的Si/N- 进一步采集了上述不同SiH /N 流量比条件下沉
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DLC涂层的表面和横截面形貌进行表征，结果如图1 积的Si/N-DLC涂层的Raman光谱，考察涂层结构对于
所示. 所制备的Si/N-DLC涂层展现出典型的团簇状形 SiH /N 流量比的依耐性. 如图3(a~c)所示，在所有的
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貌，团簇分布和尺寸均匀，表面光滑且涂层并未展现 Raman光谱中均能观察到1个不对称的宽峰，其波数范
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出明显的微观缺陷，在钢基底上获得了具有高质量形 围为1 000~1 700 cm ，对应非晶碳结构的典型特征峰.
貌特征DLC涂层. 此外，界面附着力和薄膜厚度是影 按照前人研究 [34, 38] ，上述宽峰可被分解为2个Gaussian
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响Si/N-DLC涂层在腐蚀环境下的使役行为和性能的 峰，分别是D峰(~1 360 cm )和G峰(~1 580 cm )，并且
关键因素. 因此，图1也同样给出了Si/N-DLC涂层的横 G峰位置、I /I 比值和FWHM (G峰半高宽)可以反映
G
D G
截面形貌的SEM照片. 不同SiH /N 流量比条件下沉积 涂层结构信息. 如图3(d~f)所示，随着SiH /N 流量比的
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的Si/N-DLC薄膜表现出类似的横截面形貌，均匀且致 减小，G峰位置(1 519.2~1 544.3 cm )和I /I 比值(0.430~
D G
密. 此外，涂层与基底界面处并没有观察到明显的裂 0.658)逐渐升高，而FWHM 却展现出相反的变化趋
G
纹和分层现象，展现出可靠的附着力. 涂层厚度分布在 势，其值从180.7 cm 降低到169.3 cm ，表明涂层结
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2.10~2.57 μm范围内，避免了厚度对性能产生的影响. 构向更为有序的状态转变(石墨化转变). 进一步分析
图2所示为不同SiH /N 流量比条件下沉积的Si/ 导致石墨化转变的主要原因，N元素的引入会促进
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N-DLC涂层的2D、3D形貌和对应的粗糙度. 如图2(a) DLC涂层中形成更多的sp -C位点，并且会诱导sp -C结
所示，所有的Si/N-DLC薄膜均呈现典型的团簇状表面 构从直链转变为芳香环，进而使涂层转变为更有序的