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  哈尔滨工程大学学报  2019, Vol. 40 Issue (6): 1098-1101  DOI: 10.11990/jheu.201803102
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引用本文  

连峰, 马明明, 杨忠振. 无氢四面体非晶碳膜在海水中的摩擦学性能[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(6), 1098-1101. DOI: 10.11990/jheu.201803102.
LIAN Feng, MA Mingming, YANG Zhongzhen. Tribological performance of nonhydrogenated tetrahedral amorphous carbon coatings in seawater[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2019, 40(6), 1098-1101. DOI: 10.11990/jheu.201803102.

基金项目

国家自然科学基金项目(51275064);辽宁省工业公关计划(2012220006)

通信作者

连峰, E-mail:.lianfeng@nbu.edu.cn

作者简介

连峰, 女, 教授

文章历史

收稿日期:2018-03-25
网络出版日期:2018-12-21
无氢四面体非晶碳膜在海水中的摩擦学性能
连峰 1, 马明明 2, 杨忠振 1     
1. 宁波大学 海运学院, 浙江 宁波 315211;
2. 大连海事大学 交通运输装备与海洋工程学院, 辽宁 大连 116026
摘要:为了开发能直接应用于海洋环境的自润滑材料,在不锈钢表面制备无氢四面体非晶碳(ta-DLC)膜,分别测试和比较ta-DLC膜在海水、水和油中的摩擦学性能。结果表明:ta-DLC膜在海水中的摩擦系数小于0.1,磨痕最窄且浅,表现出最优异的摩擦学性能,其水中摩擦学性能略差于其海水中摩擦学性能,在油中摩擦学性能最差。ta-DLC膜在海水润滑领域具有广阔应用前景。
关键词无氢四面体非晶碳膜    海水    摩擦学性能    摩擦系数    磨痕    海洋    不锈钢    
Tribological performance of nonhydrogenated tetrahedral amorphous carbon coatings in seawater
LIAN Feng 1, MA Mingming 2, YANG Zhongzhen 1     
1. Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315211, China;
2. College of Transportation Equipments and Ocean Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China
Abstract: A nonhydrogenated tetrahedral amorphous carbon (ta-DLC) coating was fabricated on the surfaces of stainless steel to develop self-lubricating materials that can be employed directly in the marine environment. The tribological performances of the ta-DLC coating in seawater, water, and oil were tested and compared. Experimental results showed that the ta-DLC coating had a friction coefficient of less than 0.1 and the shallowest and narrowest wear track in seawater. The tribological performance of the ta-DLC coating in seawater was the best and that in oil was the worst. The tribological performance of the ta-DLC coating in water was slightly worse than that in seawater. The ta-DLC coating has extensive potential applications in seawater lubrication.
Keywords: nonhydrogenated tetrahedral amorphous carbon coating    seawater    tribological performance    friction coefficient    wear track    ocean    stainless steel    

海水作为润滑剂的研究备受关注[1-2],特别是对于海洋工程领域,海水润滑具有举足轻重的意义。然而海水是典型的腐蚀性电解质,能引起绝大多数金属材料的严重腐蚀[3-4],摩擦学问题尤为突出。因此,有必要开发能直接应用于海洋环境的自润滑材料。在金属表面制备具有优异摩擦学性能的涂层成为一种有效的方法[5-6]。类金刚石碳膜(DLC膜)以其高硬度、低摩擦系数、优异的耐磨损性能被广泛应用在摩擦副表面[7]。但是,Rübig等[8]研究发现:含氢DLC膜在油和水润滑介质中都发生了疲劳磨损。Zhang等[9]研究发现:在水和空气润滑介质中,含氢DLC膜都容易石墨化从而产生大量磨损。Ye等[10]研究发现,含氢DLC膜在海水介质中的磨损主要为机械磨损。含氢DLC膜在水介质中比在空气介质中表现出更大的磨损率[11]。sp3含量高于80%的无氢DLC膜亦称为ta-DLC膜,即四面体非晶碳膜。硬度更高,且具有组织均匀、可大面积沉积、成本低、表面平整等一系列优点,成为近年来DLC涂层研究热点。名古屋大学梅原研究室的研究发现[12],ta-DLC膜在23 ℃和100 ℃时的摩擦系数为0.1;在200 ℃、300 ℃和400 ℃,摩擦系数小于0.06。分析表明,高温下的部分石墨化导致形成了转化层,揭示了更低摩擦系数的原因。他们还发现,ta-DLC膜在水介质中具有超低的摩擦系数和超强的耐磨损性能[13]。在甘油单油酸(PAO)中和在甘油单油酸(PAO)中添加含有有机摩擦改性甘油单月桂酸酯(GMO)中的摩擦系数分别可达0.08和0.025[14-15]。这些研究结果为ta-DLC膜在不同润滑介质中的应用奠定了理论基础。但是,关于ta-DLC膜在海水介质中的摩擦学性能的研究尚属罕见。本研究采用T-FAD技术(T-shape filtered arc deposition)在不锈钢表面制备ta-DLC膜。采用高速往复摩擦试验机探讨其在海水润滑条件下的摩擦学性能,并与水和油润滑进行比较。为ta-DLC膜在海水润滑领域的应用提供理论支持。

1 实验条件及方法

本研究所用试样由日本名古屋大学机械工学科梅原研究室制备,在不锈钢表面(20 mm×20 mm正方形)制备ta-DLC膜。ta-DLC膜的厚度约为0.7 μm,硬度约为45 GPa。

采用Easy-Drop型接触角测量仪测量试样表面对水(蒸馏水)、海水(人工配制,成分如表 1所示)和油(正十六烷,分子式为C16H34)的接触角。采用可读式手动角位台,测量试样表面对海水、水和油的滚动角。采用SUPRA 55 SAPPHIRE场发扫描电子显微镜进行能谱分析。

表 1 人工海水的成分 Table 1 Composition of artificial seawater

采用HSR-2M高速往复摩擦试验机,分别对试样表面进行海水、水、油润滑条件下的摩擦学性能测试。设定高速往复摩擦试验机的滑动速度为0.05 m/s,载荷分别为5 N和10 N。实验温度为室温,环境相对湿度40%~45%,配偶件为直径ϕ4 mm的Si3N4小球,往复行程5 mm。摩擦时间分别为20 min和180 min。

2 实验结果与讨论 2.1 ta-DLC膜的润湿性

ta-DLC膜的海水、水、油接触角分别为82.8°、86.5°、14.8°,液滴在ta-DLC膜表面的附着状态如图 1所示。ta-DLC膜的油接触角显著小于海水和水,表现出超亲油状态。且3种液滴在翻转的ta-DLC膜表面均不滚落,如图 2所示,说明ta-DLC膜与3种液滴间均有很强的黏附力。

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图 1 ta-DLC膜的海水、水、油接触角 Fig. 1 Contact angles of seawater, water and oil on ta-DLC coating
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图 2 水、海水、油滴在ta-DLC膜的粘附状态 Fig. 2 Adhesivities of seawater, water and oil droplet on ta-DLC coating
2.2 ta-DLC膜在轻载条件下(5 N)的摩擦学性能

ta-DLC膜在海水、水、油润滑条件下的摩擦系数曲线如图 3所示。由图 3可见,ta-DLC膜在海水中的摩擦系数最小,其次是水,在油中的摩擦系数最大。且海水中的摩擦系数曲线的波动也最小。ta-DLC膜在海水、水、油润滑条件下的摩擦系数的平均值分别为0.071、0.088和0.126。轻载条件下(5 N),ta-DLC膜在海水和水中的摩擦系数均小于0.1。

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图 3 ta-DLC膜在不同润滑介质中的摩擦系数(5 N) Fig. 3 Friction coefficients of ta-DLC coating in different lubricants(5 N)

ta-DLC膜在海水、水、油润滑条件下的磨痕如图 4所示。海水和水介质中的磨痕几乎难以看到,但油介质中的磨痕清晰可见。说明ta-DLC膜在海水和水介质中的耐磨性能优于油介质。

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图 4 ta-DLC膜的磨痕(5 N) Fig. 4 Grinding crack on ta-DLC coating in sea water, water and oil (5 N)

ta-DLC膜在水、海水、油润滑条件下的EDS分析如图 5所示。从水和海水润滑条件下的EDS分析中都发现有Si和O,而在油润滑的EDS分析中却没有Si和O的出现。

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图 5 海水、水、油的EDS分析 Fig. 5 EDS results in sea water, water and oil

分析认为,从水、海水和油对ta-DLC膜的润湿性能来看,ta-DLC膜表现出亲水和亲油的状态。海水、水和油在ta-DLC膜表面均具有很强的黏附性,因此有利于形成润滑膜。EDS分析显示,在水和海水润滑条件下都发现有Si和O,说明发生了摩擦化学反应生成了保护膜,保护膜中含有的硅酸起到了润滑剂的作用[14]。而在油润滑的EDS分析中却没有Si和O的出现。也有学者在研究DLC膜和Si3N4球对磨时认为,在摩擦过程中,在DLC膜表面生成了转移膜[15]。Tanaka在研究DLC膜在水润滑条件下的摩擦学性能时发现,摩擦过程中生成的硬度低于DLC膜的高分子聚合物膜起到了减小摩擦的作用[16]。上述研究均说明,ta-DLC膜在水润滑时发生了摩擦化学反应,反应的生成物起到了减摩和耐磨的作用。至于反应的生成物的具体组成则还有待于深入研究。同时,海水的EDS显示比水中多了Na、Cl、Mg、S、Ca等元素,说明有海水腐蚀物的痕迹,海水腐蚀物起到了进一步减小摩擦系数的作用,使得海水介质中的摩擦系数小于水介质中。

2.3 ta-DLC膜在大载荷条件下(10 N)的摩擦学性能

设定载荷为10 N,摩擦时间为180 min。ta-DLC膜在水、海水和油介质中的摩擦曲线如图 6所示。在10 N条件下,海水介质中的ta-DLC膜的摩擦系数依然最小,且依然小于0.1,其次是水介质,油介质中的摩擦系数依然最大。而且即使经过180 min的摩擦时间,ta-DLC膜依然没有被磨穿。ta-DLC膜在海水、水、油润滑条件下的摩擦系数的平均值分别为0.090、0.109和0.114。大载荷条件下(10 N),ta-DLC膜在海水中的摩擦系数依然小于0.1,但在水中的摩擦系数大于0.1。10 N载荷条件下油介质中的摩擦系数比5 N载荷时略有减小,但水和海水介质中的摩擦系数略有增大。这可能是由于10 N的大载荷对摩擦化学反应生成的保护膜有所破坏,因此摩擦系数增大。

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图 6 ta-DLC膜在不同润滑介质中的摩擦系数(10 N) Fig. 6 Friction coefficients of ta-DLC coating in different lubricants(10 N)

ta-DLC膜表面的磨痕如图 7所示。海水介质中的磨痕最窄,其次是水,而油介质中的磨痕最宽且最深。这说明无论是在轻载还是在大载荷的条件下,ta-DLC膜在海水介质中均表现出最优异的摩擦学性能。

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图 7 ta-DLC膜的磨痕(10 N) Fig. 7 Grinding crack on ta-DLC coating in sea water, water and oil (10 N)
3 结论

1) 在5 N和10 N载荷条件下,ta-DLC膜在海水中的摩擦系数均小于0.1,摩擦系数曲线的波动也最小。其次是水,油中的摩擦系数最大。ta-DLC膜在海水中的磨痕最窄且浅,其次是水,油中的磨痕最宽且深。

2) EDS分析显示,ta-DLC膜在海水和水润滑条件下,发生了摩擦化学反应,反应的生成物起到了减摩和耐磨的作用。在海水润滑条件下,生成的海水腐蚀物进一步减小了摩擦系数,使得ta-DLC膜在海水中表现出最优异的摩擦学性能。

3) 研究结果表明,ta-DLC膜在海水润滑以及海洋工程领域具有广阔的应用前景。

进一步深入研究ta-DLC膜在海水介质中的摩擦化学反应的生成物,有助于揭示ta-DLC膜在海水介质中的摩擦学行为,为ta-DLC膜在海水润滑领域的应用奠定理论基础。

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