類金剛石薄膜組分與結構和摩擦界面的自匹配調控微動運行微動狀態和轉移膜的演化機制

微動（fretting）是指在機械振動、疲勞載荷、電磁振動、或熱循環等交變載荷作用下，接觸表面間發生的振幅極小（通常為微米量級）的相對運動。微動是一種不同于滑動和滾動的摩擦運動方式，由于其相對運動的幅度很小，所以具有很高的隱蔽性。微動會造成接觸表面間的磨損，產生材料損失和構件尺寸變化，引起構件咬合、松動、功率損失、振動噪聲增加等失效現象；也會產生疲勞，誘導零部件局部萌生裂紋并擴展，嚴重縮短構件的使用壽命。表面工程技術對減緩和預防微動損傷非常有效，但表面工程技術種類繁多，在微動摩擦條件下的損傷機理差異很大，所以系統地研究微動工況條件與損傷機理間的關聯是十分必要的。

微動摩擦由于位移幅值極小，在摩擦過程中產生的磨屑很難及時排出，會在接觸界面間形成第三體層加速對基底材料的磨損。類金剛石碳（DLC）薄膜是一種由金剛石結構的sp³雜化碳原子和石墨結構的sp²雜化碳原子組成的非晶態結構材料，具有類金剛石碳優異的機械強度和類石墨良好的摩擦性能。最重要的是DLC薄膜作為一種自潤滑材料，在摩擦過程中產生的磨屑正好可以成為固體潤滑劑，對基底起到減摩抗磨的保護作用。

近日，西南交通大學材料服役行為與安全評價團隊研究了通過自配對含氫DLC薄膜與Cr摻雜DLC薄膜、通過熱處理調控DLC的組分與結構后，系統探究了DLC薄膜在不同法向負荷和位移幅值工況下的微動行為。通過DLC薄膜配對和組分與結構演變控制摩擦接觸界面狀態，闡明了轉移膜降低摩擦的機理和引起摩擦行為差異的原因。結果表明，隨著施加載荷的增加，相對滑移減小，彈性變形增大，微動區域向著部分滑移區發展，而振幅的增加使微動區域向滑移區移動；在微動過程中，第三體層轉移到對偶球表面，形成均勻致密的石墨化的轉移膜；DLC薄膜sp²/sp³雜化碳含量、微觀組織結構（特別是短程有序結構）和宏觀力學性能的差異不僅影響了跑合期長短，更影響了轉移膜的形成速率和石墨化程度，從而導致了鍍薄膜的摩擦系統微動行為差異，實現了DLC薄膜對微動運行狀態的可調控性，對解決工業界微動磨損具有一定的指導意義。

該研究近日以題為“Fretting behaviors of self-mated diamond-like carbon films: The evolution of fretting regime and transfer film”和“Regulating the fretting behavior of diamond-like carbon films by changing the composition and structure”發表在知名期刊Carbon上(Carbon 203 (2023) 695-705和Carbon (2023) 118097)。論文的第一作者為西南交通大學博士生岳照凡，通訊作者為樊小強教授。

圖1.?DLC薄膜復配調控微動摩擦行為和微動運行狀態演變.

圖2.?DLC薄膜組分與結構變化調控微動摩擦行為和微動運行狀態演變

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.12.032

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118097

團隊介紹

材料服役行為與安全評價團隊依托軌道交通運載系統全國重點實驗室、材料先進技術教育部重點實驗室等國家級科研平臺，集基礎理論研究、前沿技術研究與開發于一體，從事微動磨損與微動疲勞機理及其防護、鐵路摩擦學（輪軌、弓網、制動等摩擦磨損機理）、螺栓連接失效（松動與斷裂）機理及防護、耐磨減摩材料及其表面工程技術、相關檢測設備研發等領域的教學與科研工作。團隊現有教授2名、副教授5名、副研究員1名、助理教授1名。

團隊負責人：朱旻昊?教授，西南交通大學首席教授，國家杰青、“長江學者”特聘教授、“萬人計劃”領軍人才、教育部創新團隊帶頭人、全國優秀博士論文獲得者。軌道交通安全研究院院長。

主要從事摩擦學（微動摩擦學、鐵路摩擦學等）、表面工程、材料服役行為研究等。曾榮獲國家自然科學二等獎、教育部自然科學一等獎、四川省科技進步二等獎、法國航空航天集團SNECMA科技獎（二等）、茅以升鐵道科學技術獎。已出版專著5部、授權國家發明專利50余項；在國內外學術期刊上發表論文550余篇（SCI收錄300余篇），2009年以來有關“微動（fretting）”的SCI論文在國際上排名第1；擔任國際微動疲勞會議（ISFF）國際執委，主辦國際會議3次。

樊小強?教授，四川省杰青、省特聘專家。榮獲溫詩鑄楓葉獎、廣西科技進步一等獎、全國鐵路青年科技創新獎、中國科學院院長優秀獎、第七屆IFAM優秀青年科學家獎等榮譽，入選斯坦福全球前2%科學家榜單。主要從事磨蝕耦合失效機制和防護技術方面的研究，以第一或通訊作者已在國際權威期刊發表SCI一區文章80余篇（他引2600余次），授權國家發明專利20件，獲國家自然科學基金（青年、面上、聯合基金）等資助。