N+注入SiC陶瓷的表面结构及水润滑摩擦学特性研究

论文摘要

与润滑油相比,水具有无污染、成本低、安全性好等优点。然而,水的氧化性强、成膜能力差,这要求水环境下的摩擦副材料除了有足够的机械性能外,还须有高的耐磨性和低的摩擦因数。本文采用离子注入技术,在多晶SiC陶瓷表面进行N+注入。用X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分别分析了表面的相结构和成分。用纳米压痕仪测试了N+注入前后SiC陶瓷的纳米硬度。以N+注入前后SiC陶瓷/SiC球作为配对摩擦副,在自制的摩擦试验机上测试载荷、速度等因素对摩擦因数的影响。用非接触式表面形貌仪观察了N+注入前后SiC盘的磨痕三维形貌及截面形貌,测量了其磨痕的磨损体积。最后用扫描电镜（SEM）观察了磨痕的表面微观形貌。研究结果表明:N+注入SiC陶瓷,其表面结构为SiC和SiCN复合相,价键结构为Si-C、Si-N、C-N键。N+注入后增加了SiC陶瓷的表面硬度和弹性模量,在剂量为1×1017ions/cm2时,其表面硬度最大为22.3GPa,比未注入时提高了26%。N+注入SiC陶瓷可降低表面摩擦因数和磨损率。随着法向载荷和滑行速度的增大,摩擦因数减小。当注入参数为50KeV,1.0×1018ions/cm2时,最小的摩擦因数为0.014。随着法向载荷的增加,摩擦副材料的磨损率增大。当注入参数为50KeV,5.0×1017ions/cm2时,最小的磨损率为4.4×10-6mm3/N.m。磨损形貌为抛物面状的连续沟槽,且注入后磨痕的深度都低于未注入的深度。磨痕表面微观形貌变得平整光滑,同时存在许多犁沟和孔洞,表明SiC陶瓷的磨损机制为机械和摩擦化学共同作用的混合磨损。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水润滑技术特点及关键技术
• 1.1.1 水润滑技术的特点
• 1.1.2 水作为润滑介质存在的不利因素
• 1.1.3 在水润滑技术中的使用材料
• 1.1.4 硅基非氧化物陶瓷在水润滑中的摩擦学特性
• 1.2 提高水润滑中的SIC 陶瓷耐磨性的方法
• 1.2.1 材料复合化
• 1.2.2 陶瓷表面改性
• 1.3 离子注入技术概述
• 1.3.1 离子注入技术的发展简史及发展趋势
• 1.3.2 离子注入技术的优点
• 1.3.3 离子注入技术改善材料表面性能的过程及机理
• 1.3.4 离子注入硅类陶瓷的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 试验方法
• 2.1 样品的制备
• 2.1.1 样品材料
• +注入SiC 陶瓷的制备'>2.1.2 N⁺注入SiC 陶瓷的制备
• 2.2 离子注入SIC 陶瓷结构的表征方法
• 2.2.1 结晶相分析（XRD）
• 2.2.2 表面价态分析（XPS）
• 2.2.3 薄膜的纳米硬度表征
• 2.3 SIC 陶瓷的摩擦磨损试验分析
• 2.3.1 自制摩擦磨损试验机简介
• 2.3.2 摩擦磨损试验的环境条件及试验参数
• 2.4 摩擦磨痕的体积测量及宏观微观形貌分析
• 2.4.1 SiC 球的磨损体积的测量
• 2.4.2 SiC 盘的磨痕体积的测量
• 2.4.3 磨痕的微观形貌分析
• 2.5 小结
• +注入SIC 陶瓷盘的表面结构表征及力学性能'>第三章 N⁺注入SIC 陶瓷盘的表面结构表征及力学性能
• +注入SIC 陶瓷盘的表面结构表征'>3.1 N⁺注入SIC 陶瓷盘的表面结构表征
• 3.1.1 X 射线衍射分析
• 3.1.2 X 射线光电子能谱（XPS）
• +注入SIC 陶瓷盘的力学性能'>3.2 N⁺注入SIC 陶瓷盘的力学性能
• 3.3 扫描电镜分析
• 3.4 小结
• +注入SIC 盘/SIC 球对磨的摩擦学特性'>第四章 不同剂量的N⁺注入SIC 盘/SIC 球对磨的摩擦学特性
• +注入剂量时法向载荷对SIC 盘摩擦性能的影响'>4.1 不同的N⁺注入剂量时法向载荷对SIC 盘摩擦性能的影响
• +注入剂量时滑行速度对SIC 盘摩擦性能的影响'>4.2 不同的N⁺注入剂量时滑行速度对SIC 盘摩擦性能的影响
• +注入SIC 盘的摩擦性能比较'>4.3 不同注入剂量的N⁺注入SIC 盘的摩擦性能比较
• 4.3.1 不同注入剂量下的摩擦因数的比较
• 4.3.2 不同注入剂量下的磨损率的比较
• +注入剂量时SIC 盘的磨痕三维样貌和截面形貌'>4.4 不同的N⁺注入剂量时SIC 盘的磨痕三维样貌和截面形貌
• +注入剂量时SIC 盘的磨痕微观形貌'>4.5 不同的N⁺注入剂量时SIC 盘的磨痕微观形貌
• 4.6 本章小结
• +注入SIC 盘/SIC 球对磨的摩擦学特性'>第五章 不同能量的N⁺注入SIC 盘/SIC 球对磨的摩擦学特性
• +注入能量时法向载荷对SIC 盘摩擦性能的影响'>5.1 不同的N⁺注入能量时法向载荷对SIC 盘摩擦性能的影响
• +注入能量时滑行速度对SIC 盘摩擦性能的影响'>5.2 不同的N⁺注入能量时滑行速度对SIC 盘摩擦性能的影响
• +注入SIC 盘的摩擦性能比较'>5.3 不同注入能量的N⁺注入SIC 盘的摩擦性能比较
• 5.3.1 不同注入能量下的摩擦因数的比较
• 5.3.2 不同注入能量下的磨损率的比较
• +注入能量时SIC 盘的磨痕三维样貌和截面形貌'>5.4 不同的N⁺注入能量时SIC 盘的磨痕三维样貌和截面形貌
• +注入能量时SIC 盘的磨痕微观形貌'>5.5 不同的N⁺注入能量时SIC 盘的磨痕微观形貌
• 5.6 本章小结
• 第六章 不同注入参数的摩擦学性能的比较
• 6.1 不同注入参数时摩擦因数的比较
• 6.2 不同注入参数时磨损率的比较
• 6.3 材料磨损对表面结构的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作及结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间的研究成果及发表的学术论文