掺杂类金刚石薄膜制备及其摩擦性能的仿真研究

作者:张岩;肖万伸; 刊名:材料科学与工程学报 上传者:王慧

【摘要】在分子动力学(Molecular dynamics,MD)仿真中利用高温加热和快速淬火,模拟制备出分别含有Cu或Si夹杂的类金刚石(DLC)薄膜,再通过刚性压头对表面的磨损,研究了夹杂含量(0%~30%)及位置分布(上、中、下)对材料摩擦性能的影响。仿真制备出的DLC薄膜密度为2.79g/cm~3,sp~2、sp~3杂化比例分别为36%、62%。摩擦结果表明,对于含Si-DLC复合薄膜,Si-C原子成键影响了材料中sp~3杂化比例,造成摩擦力随着夹杂含量的增加而下降;含Cu-DLC复合薄膜中Cu与C不成键,但一定量的Cu原子能够积聚造成滚珠效应,其摩擦力随夹杂含量增加先增后减。当两种夹杂仅分布在薄膜被摩擦的表面区域时,摩擦力均随夹杂含量的增加而下降;而分布在薄膜中间或底层时,表面的形变受到结构的阻碍难于传播到稍远的中间位置或最底层,因此,当中间层和最低层的夹杂含量改变时对表面磨擦性能的影响不大。

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第37卷 第2期Vol.37 No.2 材 料 科 学 与 工 程 学 报 Journal of Materials Science & Engineering 总第178期Apr.201 9 文章编号:1673-2812(2019)02-0271-06 掺杂类金刚石薄膜制备及其摩擦性能的仿真研究张 岩1, 2,肖万伸1 ( 1.湖南大学 机械与运载工程学院,湖南 长沙 410082;2.哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150006)   【摘 要】 在分子动力学(Molecular dynamics,MD)仿真中利用高温加热和快速淬火,模拟制备出分别含有 Cu或Si夹杂的类金刚石(DLC)薄膜,再通过刚性压头对表面的磨损,研究了夹杂含量(0%~30%)及位置分布(上、中、下)对材料摩擦性能的影响。仿真制备出的 DLC薄膜密度 为2.79g/cm3, sp 2、 sp 3 杂化比例分别为36%、62%。摩擦结果表明,对于含 Si-DLC复合薄膜,Si- C原子成键影响了材料中 sp 3 杂化比例,造成摩擦力随着夹杂含量的增加而下降;含 Cu-DLC复合 薄膜中 Cu与 C不成键,但一定量的 Cu原子能够积聚造成滚珠效应,其摩擦力随夹杂含量增加先增后减。当两种夹杂仅分布在薄膜被摩擦的表面区域时,摩擦力均随夹杂含量的增加而下降;而分布在薄膜中间或底层时,表面的形变受到结构的阻碍难于传播到稍远的中间位置或最底层,因此,当中间层和最低层的夹杂含量改变时对表面磨擦性能的影响不大。 【关键词】 类金刚石薄膜;夹杂;分子动力学;快速淬火;摩擦力 中图分类号:TB43;TB24 文献标识码: A DOI:10.14136/ j.cnkii.ssn1673-2812.2019.02.020 收稿日期:2017-04-07;修订日期:2017-05-22 作者简介:张 岩(1992-),男,硕士,研究方向:分子动力学模拟及微纳米材料性能研究。E-mail: yanzhangst19@hit.edu.cn。 通讯作者:肖万伸(1959-),男,博士,教授,主要研究方向为微纳米力学及其加工。E-mail:xwshndx@126.com。 Simulation Preparation of Diamond-like Carbon Filmwith Inclusions and Its Friction Properties ZHANG Yan 1, 2,XIAO Wanshen 1 ( 1.College of Mechanical and Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China; 2.School of Mechatronics Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150006,China) 【 Abstract】  Diamond-like carbon (DLC)films with Cu/Si inclusions were prepared using high temperature heating and rapid quenching method in molecular dynamics (MD)simulations.Surface wearprocess was then conducted by  a rigid tool to investigate the effects of conten

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