Zr-B-O-N纳米复合薄膜摩擦学性能的研究

【作者】 王铁钢； 柯培玲； 宫骏； 孙超； Kwang Ho Kim；

【机构】 中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室； NCRC for Hybrid Materials Solution,Pusan National Uni.； 中国科学院宁波材料技术与工程研究所；

【摘要】 Zr-B-N纳米复合薄膜因存在软质a-BN相,而具有低弹性模量、高韧性和优异的耐磨性能,但高温热稳定性和抗氧化能力相对较差,严重限制其在高温环境下的使用。若向薄膜中添加适量氧,通过氧原子的固溶或析出ZrO₂相来抑制或减缓高温下薄膜氧化和氧元素扩散,可有效提升薄膜的耐高温能力。在以前工作中,我们已系统研究了Zr-B-O-N纳米复合薄膜的微观结构、化学成分、物相组成、硬度和结合强度等力学性能,本文将进一步探讨它们的摩擦学性能。采用直流反应磁控溅射技术,通过调节反应气体N₂和O₂的流量,沉积一系列Zr-B-O-N纳米复合薄膜。采用曲率半径法测量并计算薄膜的内应力;利用纳米压痕仪评估薄膜的硬度和弹性模量;利用球盘式摩擦仪测试薄膜的摩擦磨损性能;借助α-step台阶仪测量磨痕的磨损体积;利用扫描电镜观察薄膜磨损后的形貌。分析Zr-B-O-N纳米复合薄膜磨损机理,系统研究薄膜硬度、弹性模量和摩擦系数与薄膜耐磨性能的关系,探索评价硬质薄膜抗磨损性能的判据。研究结果表明:适量氧的添加,未明显降低Zr-B-N纳米复合薄膜的耐磨性能;硬度并非是影响薄膜耐磨性能的惟一要素,本文中具有较低硬度的Zr-B-O-N薄膜表现出了最好的抗磨损能力;硬质薄膜的耐磨性能受薄膜硬度、弹性模量和摩擦系数等共同影响。更多还原