納米結(jié)構(gòu)碳薄膜低摩擦機(jī)制及發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用
納米結(jié)構(gòu)碳薄膜低摩擦機(jī)制及發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用
張俊彥
(中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000)
摘要 實(shí)現(xiàn)超低摩擦對(duì)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能減排具有重要意義。隨著國(guó)際能源短缺與氣候變暖的雙重壓力, 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是節(jié)能、減排與可靠性。我國(guó)汽車(chē)行業(yè)與世界同行的差距主要在于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件低摩擦固體潤(rùn)滑技術(shù)的突破和應(yīng)用,有望使發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗降低2~5%,CO2 排放降低4~9%,也是解決發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性如振動(dòng)、噪音的關(guān)鍵技術(shù)。盡管已有關(guān)于超低摩擦的基礎(chǔ)研究報(bào)道,但是都是在特殊氣氛或條件下獲得的,沒(méi)有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
設(shè)計(jì)構(gòu)筑在大氣環(huán)境條件下具有超低摩擦特性的固體潤(rùn)滑薄膜材料與技術(shù),實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用是該領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。核心科學(xué)問(wèn)題是如何基于微觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予薄膜超低摩擦特性。類(lèi)富勒烯結(jié)構(gòu)由于五元、七元環(huán)結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)彎曲,將平面二維結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)、高彈、高韌擴(kuò)展到三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí),這些彎曲結(jié)構(gòu)可以顯著降低碳薄膜中懸鍵的能量,增強(qiáng)薄膜在潮濕氣氛下的穩(wěn)定性,阻止薄膜在摩擦過(guò)程中發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)。因此,類(lèi)富勒烯結(jié)構(gòu)賦予碳薄膜高硬度、高彈性、超低摩擦性能。
一般認(rèn)為,類(lèi)金剛石薄膜的低摩擦系數(shù)是由于在摩擦過(guò)程中表面層發(fā)生石墨化,形成類(lèi)石墨的界面層,它充當(dāng)了固體潤(rùn)滑層而使摩擦系數(shù)很低。但事實(shí)卻與石墨的摩擦行為相違背:石墨在干燥大氣中的摩擦系數(shù)較高,而在潮濕大氣中有更低的摩擦系數(shù);與之相反,含氫類(lèi)金剛石薄膜卻在干燥大氣中的摩擦系數(shù)較低,而在潮濕大氣中的摩擦系數(shù)較高。然而,在這兩種薄膜的摩擦界面處都發(fā)生了石墨化轉(zhuǎn)移膜。因此,不能將低摩擦和低磨損的轉(zhuǎn)移膜簡(jiǎn)單的看作石墨結(jié)構(gòu)。認(rèn)為,對(duì)類(lèi)金剛石薄膜而言,在摩擦過(guò)程中摩擦界面轉(zhuǎn)移膜的石墨化是必然發(fā)生的,這并不是類(lèi)金剛石薄膜具有優(yōu)異摩擦性能的主要原因。相反,轉(zhuǎn)移膜的化學(xué)特性對(duì)類(lèi)金剛石薄膜的摩擦行為起決定作用。
含氫類(lèi)金剛石薄膜中有大量與共價(jià)鍵或σ 鍵碳原子鍵合的氫原子,可以將含氫類(lèi)金剛石薄膜看作非計(jì)量比的碳?xì)浠衔�。因此,具有低剪切力的非�?jì)量比碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)移膜的生成是薄膜具有優(yōu)異摩擦性能的主要原因之一。低摩擦碳基固體潤(rùn)滑涂層在一汽自主發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)關(guān)鍵部件——柱塞和氣門(mén)系統(tǒng)的挺柱表面的應(yīng)用結(jié)果表明,使用固體潤(rùn)滑涂層可明顯減小活塞靜態(tài)漏油量,大幅提升油泵供油效率,降低摩擦系數(shù)70%,提高關(guān)鍵部件磨損壽命10 倍以上。