高性能碳基润滑材料

　　《高性能碳基润滑材料》是“先进化工材料关键技术丛书”（第二批）的一个分册。本书围绕碳基润滑材料开展科学研究和技术开发的系统总结。全书共八章，包括绪论、富勒烯碳润滑材料、碳纳米管润滑材料、金刚石润滑材料、石墨烯润滑材料、橡胶软表面硬质碳基薄膜润滑材料、非晶碳薄膜强韧润滑调控与应用和发动机低摩擦固体润滑碳薄膜关键技术及应用。本书所涉及的研究内容为相关领域的国际学术前沿热点，部分成果为原创，同时涉及一些先进碳基润滑材料的工程应用，可以为碳基润滑材料的基础研究和工程应用提供一些新思路。《高性能碳基润滑材料》是多项国家和省部级科技成果的系统总结，适合化学、材料、机械工程领域，特别是对固体润滑材料感兴趣的科技工作者阅读，也可供高等院校化学、化工、材料及相关专业师生参考。

　　张俊彦，中国科学院兰州化学物理研究所研究员、博士生导师。1990年毕业于兰州大学，1997年、1999年于中国科学院兰州化学物理研究所分别获得理学硕士和博士学位；2000～2005年在美国加州大学伯克利分校、阿拉巴马大学、莱斯大学从事博士后研究，2007年任美国阿贡国家实验室客座研究员。现任中国科学院兰州化学物理研究所副所长、兰州润滑材料与技术创新中心（国家国防科工局）及中国科学院材料磨损与防护重点实验室主任；兼任国际能源署先进交通材料委员会执委、中国材料研究学会常务理事、中国机械工程学会摩擦学分会副秘书长、摩擦学国家重点实验室学委会委员、固体润滑国家重点实验室学委会委员，Tribology Letters、Friction、《摩擦学学报》等期刊编委。长期从事碳薄膜结构演变与超滑机制、固体润滑薄膜材料可控制备及工程应用、材料表面防护等研究及工程应用工作，发展了超低摩擦固体润滑薄膜技术和成套设备，解决了我国发动机高压共轨和配气系统的摩擦磨损瓶颈技术问题；开发了系列特种润滑与防护材料，解决了航天、航空、船舶等领域关键部件的服役失效和可靠性技术难题。发表学术论文280余篇，取得授权中国发明专利70余件、国际发明专利3件。获得国家科技进步二等奖（2019）、国家技术发明二等奖（2016）、甘肃省科技进步一等奖（2021）、中国机械工业科学技术一等奖（2018）、甘肃省技术发明一等奖（2015）、甘肃省自然科学二等奖（2010）、甘肃省科技进步一等奖（1999）。享受国务院政府特殊津贴（2018），荣获“甘肃省专利发明人奖”（2021）、“甘肃省先进工作者”（2020）、“中科院王宽诚西部学者突出贡献奖”（2014）、“中国侨界贡献奖”一等奖（2022）、“全国归侨侨眷先进个人”（2013）等荣誉。张斌，中国科学院兰州化学物理研究所研究员、博士生导师，中组部“WR”计划青年人才（2020）。2005年毕业于兰州大学材料物理专业，获得学士学位；2011年毕业于中国科学院兰州化学物理研究所材料学专业，获得博士学位；2016～2017年美国劳伦斯伯克利国家实验室客座研究员。兼任国家新材料测试评价平台稀土行业中心专家、中国能源学会能源与动力工程分会副主任委员、真空学会薄膜专委会委员。主要从事真空薄膜沉积，薄膜制备及润滑、耐磨耐蚀和超低摩擦机制方面的研究及产业应用工作。累计发表论文115篇，获授权中国发明专利40件、美国发明专利1件。获得2019年国家科技进步二等奖（第三完成人）、2018年中国机械工业科学技术一等奖（第三完成人）、2016年国家技术发明二等奖（第五完成人）、2015年甘肃省技术发明一等奖（第五完成人）、2022年湖南省科技进步二等奖（第四完成人）；获得甘肃省青年科技奖（2021）、中国机械工程学会青年科技成就奖（2021）、中国产学研合作创新奖（2018）。王永富，男，博士，中国科学院兰州化学物理研究所副研究员、硕士生导师。2010年毕业于河南大学，2018年于中国科学院兰州化学物理研究所获得材料学博士学位。近年来围绕碳基薄膜存在高摩擦和环境敏感性问题，开展碳基薄膜纳米结构设计、固体超滑体系创制等方面研究，系统阐述纳米结构碳薄膜“滚-滑”超滑机制，完善了低氢碳基薄膜超滑理论；发明“摩擦催化”和“摩擦限域”固体超滑新方法，破解了碳薄膜超滑环境敏感性和氢制约的瓶颈问题；设计制备界面应力分散的超弹性碳薄膜，解决结构超滑承载能力差和环境敏感等问题，实现了高承载（15N）的二维材料固体超滑。累计发表论文50余篇，获授权中国发明专利15件。获得2015年全国摩擦学大会优秀论文奖、2018年中国机械工业科学技术一等奖、2018年度首届中国汽车工程学会优秀博士学位论文奖、中国科学院“西部之光”青年学者荣誉。

第一章  绪论 001
第一节　摩擦学 002
一、摩擦、磨损与润滑 002
二、润滑的科学意义 005
第二节　碳基润滑材料性能表征 006
一、碳基润滑材料概述 006
二、碳基润滑材料结构表征 007
三、碳基润滑材料力学性能表征 011
四、碳基润滑材料摩擦学表征 014
第三节　小结与展望 017
参考文献 017
第二章  富勒烯碳润滑材料 019
第一节　富勒烯碳及类富勒烯碳制备方法 020
一、富勒烯碳制备方法 020
二、类富勒烯碳薄膜制备方法 023
第二节　富勒烯碳和类富勒烯碳形成机制 026
一、富勒烯碳形成机制 026
二、类富勒烯碳形成机制 028
第三节　富勒烯碳摩擦性能 037
一、富勒烯碳在固-液界面摩擦性能 037
二、富勒烯碳固体润滑性能 037
第四节　类富勒烯碳薄膜微观摩擦学性能 038
第五节　类富勒烯碳薄膜机械性能和结构稳定性 043
一、类富勒烯碳薄膜机械性能：低应力 043
二、类富勒烯碳薄膜机械性能：超弹性 046
三、类富勒烯碳薄膜结构稳定性  051
第六节　类富勒烯碳薄膜大气环境中超滑性能 061
一、类富勒烯碳薄膜大气环境中摩擦性能分析 061
二、不同摩擦对偶下类富勒烯碳薄膜磨损行为分析 063
三、不同环境湿度下类富勒烯碳薄膜磨损行为分析 065
四、类富勒烯碳薄膜摩擦界面研究：原位形成洋葱碳  066
第七节　小结与展望 075
参考文献 076
第三章  碳纳米管润滑材料 083
第一节　碳纳米管的制备与表征 084
一、碳纳米管结构与制备 084
二、碳纳米管Raman特征谱 085
三、碳纳米管纳米力学性能 086
第二节　电化学沉积制备MWNTs-DLC复合薄膜及其机械性能 087
一、电化学沉积MWNTs-DLC薄膜制备方法 087
二、MWNTs-DLC复合薄膜TEM表征 088
三、MWNTs-DLC复合薄膜Raman表征 089
四、MWNTs-DLC复合薄膜XPS表征 090
五、MWNTs-DLC复合薄膜FTIR表征 091
六、MWNTs-DLC复合薄膜机械性能研究 092
第三节　碳纳米管润滑机制 093
一、碳纳米管在表面的低黏合力 093
二、碳纳米管层间低摩擦 094
三、碳纳米管滚动和滑动下低摩擦 095
四、碳纳米管排列方式对摩擦的作用 095
五、碳卷曲结构对降低摩擦的作用 097
第四节　擦涂法制备碳纳米管薄膜的低摩擦性能 097
一、碳纳米管在不同配副和载荷下低摩擦行为 098
二、碳纳米管降低钢表面磨损 099
三、碳纳米管摩擦后形貌特征 101
第五节　碳纳米管/复合物润滑材料 103
一、碳纳米管/金属复合润滑材料 103
二、碳纳米管/陶瓷复合润滑材料 104
三、碳纳米管/聚合物复合润滑材料 105
第六节　碳纳米管润滑油/脂添加剂 106
一、碳纳米管在基础油中的低摩擦作用 106
二、碳纳米管改性对低摩擦的作用 108
三、碳纳米管在离子液体中的低摩擦作用 108
参考文献 110
第四章  金刚石润滑材料 115
第一节　金刚石的制备 116
一、金刚石颗粒的制备 117
二、聚晶金刚石的制备 119
三、金刚石薄膜的制备 120
第二节　金刚石复合润滑材料 123
一、金刚石/金属复合润滑材料 123
二、金刚石/陶瓷复合润滑材料 125
三、金刚石/聚合物复合润滑材料 125
四、金刚石-润滑油/脂复合润滑材料 125
第三节　含金刚石碳薄膜的制备与润滑行为 127
一、类富勒烯碳薄膜中引入纳米金刚石结构 127
二、含金刚石碳薄膜的化学气相沉积制备 129
三、含金刚石碳薄膜的润滑行为 132
四、含金刚石碳薄膜的润滑机制 133
第四节　金刚石的摩擦学行为 135
一、金刚石宏观摩擦行为 135
二、金刚石微观摩擦行为 139
三、金刚石的润滑机制 140
第五节　金刚石润滑材料的应用 141
一、切削刀具润滑薄膜  141
二、拉拔模具润滑薄膜 142
参考文献 143
第五章  石墨烯润滑材料 147
第一节　石墨烯的结构和制备 148
一、石墨烯的结构 148
二、石墨烯的制备 150
第二节　石墨烯的性质和应用 154
一、石墨烯的性质 154
二、石墨烯的应用 155
第三节　石墨烯润滑材料 160
一、石墨烯薄膜的制备方法 161
二、石墨烯薄膜的宏观摩擦学性能研究 165
三、氧化石墨烯薄膜的宏观摩擦学性能研究 168
第四节　面向MEMS/NEMS器件的电化学沉积石墨烯薄膜 171
一、制备与结构表征 171
二、力学与摩擦学 174
三、不同退火温度下氧化石墨烯薄膜的摩擦学性能研究 178
四、结论 180
第五节　氧化石墨烯基组装薄膜的摩擦学 181
一、薄膜的结构设计 181
二、薄膜结构对摩擦学性能的影响 182
三、工况条件对摩擦学性能的影响 186
参考文献 189
第六章  橡胶软表面硬质碳基薄膜润滑材料 197
第一节　橡胶表面碳薄膜概述 199
一、橡胶基底前处理及典型的沉积技术 199
二、表面形貌及特征 201
三、橡胶/薄膜灵活性和结合强度 202
四、橡胶表面碳薄膜摩擦学性能 203
第二节　等离子体预处理对橡胶表面碳薄膜结合力和摩擦学性能影响 206
一、空气等离子体预处理改善橡胶表面碳薄膜结合强度和耐磨性 207
二、不同等离子体预处理对橡胶表面碳薄膜结合力和摩擦学　　性能影响 214
三、氩等离子体预处理时间改善膜基结合力和摩擦学性能 224
四、氩等离子体预处理偏压对薄膜结合力和摩擦学性能影响 233
第三节　中间层对橡胶表面碳薄膜结合力和摩擦学性能影响 241
一、有/无Si中间层对橡胶表面薄膜微结构及性能影响 241
二、Si中间层厚度对薄膜微结构及摩擦学性能影响 256
第四节　橡胶表面碳薄膜结构性能优化设计及调控 267
一、硅元素掺杂量对丁腈橡胶表面碳薄膜微结构和性能影响 267
二、氢含量对丁腈橡胶表面碳薄膜结构和性能影响 283
第五节　碳薄膜改性丁腈橡胶密封实件台架及整机考核验证 290
一、碳薄膜改性密封实件机械性能测试 291
二、碳薄膜改性后密封圈质密性测试 292
三、油箱蓄压器组件液压强度测试 292
四、油箱蓄压器组件气密性试验 292
五、油箱蓄压器组件台架磨合试验 293
六、碳薄膜改性密封实件整机寿命及可靠性试验验证 295
参考文献 302
第七章  非晶碳薄膜强韧润滑调控与应用 311
第一节　非金属元素掺杂非晶碳薄膜 312
一、硅元素掺杂 313
二、氮元素掺杂 314
三、其他非金属元素掺杂 315
第二节　金属元素掺杂非晶碳薄膜 316
一、强碳金属元素掺杂 317
二、弱碳金属元素掺杂 321
第三节　多元素共掺杂非晶碳薄膜 322
一、强碳/弱碳金属元素共掺杂 322
二、其他多元素共掺杂 329
第四节　纳米复合结构非晶碳薄膜 331
一、金属碳化物纳米复合结构 331
二、纳米碳复合结构 332
三、自适应纳米复合结构 335
第五节　功能梯度结构非晶碳薄膜 335
一、钢表面功能梯度结构设计 336
二、轻质合金表面梯度结构设计 337
第六节　多层结构非晶碳薄膜 339
一、微米/亚微米多层结构 340
二、纳米/超晶格多层结构 342
第七节　非晶碳薄膜多尺度耦合应用 348
一、表面织构与微/纳织构非晶碳薄膜 348
二、仿生微/纳织构非晶碳薄膜 351
第八节　非晶碳薄膜的工业应用 352
一、刀模具领域应用 352
二、轴承领域应用 358
三、其他领域应用 360
四、展望 362
参考文献 362
第八章  发动机低摩擦固体润滑碳薄膜关键技术及应用 367
第一节　技术应用背景 368
一、摩擦磨损对发动机的影响 368
二、发动机摩擦磨损的研究思路 370
第二节　低摩擦类富勒烯碳薄膜可控制备 373
一、偏压的影响 374
二、气氛的影响 380
三、退火温度的影响 384
第三节　低摩擦碳薄膜高结合力设计 387
一、单层金属过渡层设计 388
二、多层梯度过渡层设计 390
第四节　工艺装备一体化集成 390
一、轴承钢表面的低温沉积 390
二、具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置 392
三、阳极场辅磁控溅射镀膜装置 393
四、励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统 394
第五节　低摩擦碳薄膜应用案例 396
一、低摩擦碳薄膜的批量装备及性能 396
二、台架试验验证 397
三、技术展望 397
参考文献 398
索引 400