类金刚石薄膜组分与结构和摩擦界面的自匹配调控微动运行微动状态和转移膜的演化机制

微动（fretting）是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动、或热循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极小（通常为微米量级）的相对运动。微动是一种不同于滑动和滚动的摩擦运动方式，由于其相对运动的幅度很小，所以具有很高的隐蔽性。微动会造成接触表面间的磨损，产生材料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损失、振动噪声增加等失效现象；也会产生疲劳，诱导零部件局部萌生裂纹并扩展，严重缩短构件的使用寿命。表面工程技术对减缓和预防微动损伤非常有效，但表面工程技术种类繁多，在微动摩擦条件下的损伤机理差异很大，所以系统地研究微动工况条件与损伤机理间的关联是十分必要的。

微动摩擦由于位移幅值极小，在摩擦过程中产生的磨屑很难及时排出，会在接触界面间形成第三体层加速对基底材料的磨损。类金刚石碳（DLC）薄膜是一种由金刚石结构的sp³杂化碳原子和石墨结构的sp²杂化碳原子组成的非晶态结构材料，具有类金刚石碳优异的机械强度和类石墨良好的摩擦性能。最重要的是DLC薄膜作为一种自润滑材料，在摩擦过程中产生的磨屑正好可以成为固体润滑剂，对基底起到减摩抗磨的保护作用。

近日，西南交通大学材料服役行为与安全评价团队研究了通过自配对含氢DLC薄膜与Cr掺杂DLC薄膜、通过热处理调控DLC的组分与结构后，系统探究了DLC薄膜在不同法向负荷和位移幅值工况下的微动行为。通过DLC薄膜配对和组分与结构演变控制摩擦接触界面状态，阐明了转移膜降低摩擦的机理和引起摩擦行为差异的原因。结果表明，随着施加载荷的增加，相对滑移减小，弹性变形增大，微动区域向着部分滑移区发展，而振幅的增加使微动区域向滑移区移动；在微动过程中，第三体层转移到对偶球表面，形成均匀致密的石墨化的转移膜；DLC薄膜sp²/sp³杂化碳含量、微观组织结构（特别是短程有序结构）和宏观力学性能的差异不仅影响了跑合期长短，更影响了转移膜的形成速率和石墨化程度，从而导致了镀薄膜的摩擦系统微动行为差异，实现了DLC薄膜对微动运行状态的可调控性，对解决工业界微动磨损具有一定的指导意义。

该研究近日以题为“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”发表在知名期刊Carbon上(Carbon 203 (2023) 695-705和Carbon (2023) 118097)。论文的第一作者为西南交通大学博士生岳照凡，通讯作者为樊小强教授。

图1. DLC薄膜复配调控微动摩擦行为和微动运行状态演变.

图2. DLC薄膜组分与结构变化调控微动摩擦行为和微动运行状态演变

原文链接：

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

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

团队介绍

材料服役行为与安全评价团队依托轨道交通运载系统全国重点实验室、材料先进技术教育部重点实验室等国家级科研平台，集基础理论研究、前沿技术研究与开发于一体，从事微动磨损与微动疲劳机理及其防护、铁路摩擦学（轮轨、弓网、制动等摩擦磨损机理）、螺栓连接失效（松动与断裂）机理及防护、耐磨减摩材料及其表面工程技术、相关检测设备研发等领域的教学与科研工作。团队现有教授2名、副教授5名、副研究员1名、助理教授1名。

团队负责人：朱旻昊 教授，西南交通大学首席教授，国家杰青、“长江学者”特聘教授、“万人计划”领军人才、教育部创新团队带头人、全国优秀博士论文获得者。轨道交通安全研究院院长。

主要从事摩擦学（微动摩擦学、铁路摩擦学等）、表面工程、材料服役行为研究等。曾荣获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、四川省科技进步二等奖、法国航空航天集团SNECMA科技奖（二等）、茅以升铁道科学技术奖。已出版专著5部、授权国家发明专利50余项；在国内外学术期刊上发表论文550余篇（SCI收录300余篇），2009年以来有关“微动（fretting）”的SCI论文在国际上排名第1；担任国际微动疲劳会议（ISFF）国际执委，主办国际会议3次。

樊小强 教授，四川省杰青、省特聘专家。荣获温诗铸枫叶奖、广西科技进步一等奖、全国铁路青年科技创新奖、中国科学院院长优秀奖、第七届IFAM优秀青年科学家奖等荣誉，入选斯坦福全球前2%科学家榜单。主要从事磨蚀耦合失效机制和防护技术方面的研究，以第一或通讯作者已在国际权威期刊发表SCI一区文章80余篇（他引2600余次），授权国家发明专利20件，获国家自然科学基金（青年、面上、联合基金）等资助。