高性能碳基润滑材料

摩擦消耗了世界一次能源的1/3左右，磨损造成了约60%的设备损坏或故障，机械系统的高精度、高可靠和长寿命服役性能受限于材料的摩擦磨损。 《科技日报》报道的35项“卡脖子”技术中的液压“心脏”——高压柱塞泵(35 MPa)、柴油发动机“心脏”——高压共轨等的高可靠、长寿命皆受制于运动部件的摩擦磨损，因此，工业“四基”8个领域强调发展低摩擦技术。 低摩擦技术已成为工业制造技术发展的重大共性技术需求。合理使用润滑材料与技术是减少摩擦、降低磨损、实现节能降耗、保障装备可靠运行的有效手段之一。 本书是著者团队多年来多项国家项目、省部级项目成果的结晶与升华，部分成果获得国家技术发明二等奖、国家技术进步二等奖等荣誉。

《高性能碳基润滑材料》是“优选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，同时涉及一些优选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；兼任国际能源署优选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）、“甘肃省优选工作者”（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）、“全国归侨侨眷优选个人”（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