一个线索来理解环境影响类金刚石纳米复合材料薄膜的摩擦磨损

文摘

了类金刚石纳米复合材料的磨损和摩擦(DLN)薄膜进行了调查在空气中与不同的相对湿度(RH),在去离子的水(DI)和生理盐水。电影的结构一直以傅里叶变换红外(FTIR)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)。结果显示两个互穿网络结构:a - c: H和硅:啊,他们由si c键相互影响。摩擦学的表现测量使用ball-on-disc摩擦计与碳化钨球counterbody 10 N正常负载。结果表明,随着相对湿度(RH)从35%提高到80%,摩擦系数从0.005到0.074(咖啡)逐渐增加,而随着RH磨损系数降低毫米³/ Nm和达到的最小值毫米³/纳米在50% RH。进一步提高RH的磨损因素增加了。此外,在去离子水,特别是在生理盐水,咖啡和磨损因素被发现显著低。线索解释理解环境依赖性,考虑表面悬挂键的作用,电荷转移和化学相互作用。

1。介绍

类金刚石纳米复合材料(DLN)电影由两个非晶互穿网络结构:一个是“一起”(a - c: H)网络,另一个是“玻璃样的”(晶硅:O)网络(1- - - - - -4]。晶硅的存在:O网络作为强化矩阵DLN电影有别于传统的类金刚石碳(DLC)膜5,6]。材料具有一些独特的体积和表面特性如硬度和柔韧性(7),热稳定性(7,8),腐蚀和耐磨8,9,生物相容性10,11),等等。较低的残余应力和良好的遵守任何类型的基质使DLN电影一个强有力的材料为各种摩擦学的应用程序。

相信电影的摩擦学特性不仅是影片的固有属性。他们还强烈依赖于周围的环境和counterbody。许多研究人员报道的依赖环境对DLC膜的摩擦学的行为(12,13),尽管有限的报告已经出版尤其是DLN电影。Neerinck等人报道,DLN电影对钢球的咖啡在50% RH变化从0.04到0.08,小于0.1甚至在90% RH。他们也观察到膜磨损因素是极低的水下(14]。Scharf等人也报告说,咖啡从0.02增加到0.2时,RH变化从1%到50% (15]。然而,连续变异的RH和离子的溶液对摩擦学特性的影响还没有被报道。

在目前的研究中,磨损因素和咖啡DLN电影玻璃衬底上研究了使用标准ball-on-disc摩擦计与碳化钨(WC)球配合端面材料在两种不同RH像空气,在去离子水和生理盐水。环境依赖摩擦学性能的线索DLN电影已经解释,考虑到电影表面悬空键与counterbody钝化与环境的物种,因此交互。

2。实验的细节

2.1。合成DLN电影

plasma-assisted化学汽相淀积(用)系统利用本研究示意图如图所示1。基质是由丙酮和酒精清洗和超声振动,其次是氮喷射干燥。清洗基板被加载到用室随后疏散的压力mbar。此后,氩气被引入美国商会通过质量流量控制器,直到燃烧室压力达到约mbar。样本进一步清理原位通过氩等离子体DLN镀膜前5分钟。在沉积过程中,灯丝电流维持在100,与大约10 V的电压。thermoionic电子发出的灯丝被吸引向地面零电势通过应用−142 V的电压浮动灯丝对地。前体流是通过调整针阀,利用重力控制。下面的前体弹射头调整灯丝,这样在蒸发的前体分子热离子电子的路径。的前身蒸发由于低压和高温丝附近的电子增强蒸汽分子的电离的大气碰撞。RF衬底偏置电源同时开启。前体离子形成稳定的等离子体(等离子体电流可以调整从0.2到20),和离子加速向基板由于负直流功率引起的衬底偏置。穿过磁场应用使用电磁铁产生螺旋运动,以增加离子的路径长度。在目前的研究中,DLN电影是沉积在玻璃基板在一个特别设计的用系统中,使用液体前体(2、3、4-triphenyl nonamethyl pentasiloxane)包含C, H, Si和O的选民。 A typical growth condition has been given in Table1。在沉积、溅射和蒸发单元被关闭。这部电影是沉积在玻璃为1小时。

2.2。摩擦学的测量

磨损和摩擦特性进行了使用ball-on-disc摩擦计(图2)。样品被固定在一个金属圆盘旋转200 rpm。WC球4毫米直径的10 N正常负载接触这部电影表面。WC球和圆盘的中心之间的距离是4毫米。所以穿的直径8毫米,和球膜表面的线性速度为0.08米/秒。在穿着过程的初始阶段,咖啡通常是很高,但几革命后,咖啡降低,达到低且稳定值。又在瞬间突然增加;这部电影完全消失,造成WC球技巧与底物的接触表面。磨损试验在室温下进行。每个进行了磨损试验,直到WC球到基材上,和每个观测测量三次,证实。

磨损的因素被定义为3毫米的体积³单位法向力)磨损(N),单位(m)滑动距离。在理想情况下,穿跟踪是一个圆形的截面曲率由于WC球一样counterbody如图3。但在我们的实验中,膜厚度非常小于穿磁道宽度(图4),进行磨损试验,直到完全筋疲力尽的电影。所以穿的矩形截面假定。的总表面积穿跟踪在哪里和分别是内部和外部轨道半径。

的总额在哪里薄膜的厚度。涂层磨损的因素表示为 在这里,法向力(10 N),是总滑动距离DLN电影。内部和外部磨损轨道半径测量的高分辨率光学显微镜(图4)。高温热胶带在电影前玻璃衬底上沉积膜厚度测量。薄膜的厚度估计使用手写笔表面轮廓曲线仪。仪器的分辨率是1纳米,膜厚度是1093海里。

革命的总数除以测量厚度的电影是磨损率(周期/微米)的电影。

3所示。结果与讨论

3.1。电影结构分析

为了研究结合本地的C, H,是的,和O DLN电影网站,代表电影的红外光谱谱记录从400年到4000厘米⁻¹与4厘米范围⁻¹100分辨率和扫描。相应的红外光谱跟踪被显示在图5。光谱显示Si-O强吸收峰出现在波数的1100厘米⁻¹(12]。在682 - 885厘米⁻¹发现,广泛吸收带对应于si c, Si-CH₃片段(16,17]。在760 cm模式⁻¹是由于Si-CH₃摇摆/摇或如果拉伸(16,17]。吸收带的~ 857厘米⁻¹是由于弯曲(12,13]。

一个吸收带的范围出现在2000 - 2300厘米⁻¹这对应于Si-H Si-H₂伸展运动。C = C伸缩振动显示它的存在与一个吸收带从1372到1970厘米⁻¹,但只有一个广谱到1650厘米⁻¹显然是在红外光谱中所看到的,和一些C = C波段可能掩盖了水分噪音,这发生在约1885厘米吗⁻¹。广泛由于碳氢键拉伸发生在2750 - 3100厘米⁻¹。(16,17]。电影的红外光谱跟踪显示了两个网络:一个是呈C: H网络,另一个是Si: O网络,他们一直相互影响与Si C键描绘DLN电影的典型特性。

为了理解DLN电影的结构的拉曼光谱研究了波数从400到2500厘米⁻¹。拉曼光谱分析DLN电影wasdeconvoluted分为两高斯峰:G峰和D峰的曲线拟合(图6)。相对应的拉曼光谱单晶金刚石顶点位于1332厘米⁻¹(18),而对单晶石墨1580厘米的顶点⁻¹(18,19]。钻石峰值的四倍杂化啊_h对称,而石墨峰的三倍协调(18- - - - - -21]。G峰,这可能发生从C = C烯或共轭碳链的伸缩振动的相对运动杂化碳水化合物,和G的变化峰值与键角障碍(22- - - - - -24]。D峰是由于芳香环6倍的障碍性呼吸运动(18,22]因此,拉曼光谱的峰值位置DLN电影和D / G峰的强度比是最重要的参数来理解的大部分属性DLN电影为摩擦学的目的。有两个乐队1355厘米左右⁻¹峰值(D)和1524厘米⁻¹峰值(G)。D达到1355厘米的位置⁻¹和向下转移的G线指示的数量/尺寸的增加C = C键的键角障碍DLN薄膜沉积在玻璃衬底上。再一次强度比与石墨集群大小成反比(22,23]。在这方面的比例,可能是间接相关/强度,观察到从高斯拟合基线校正后是0.35。

图7显示了FE-SEM DLN薄膜沉积在玻璃衬底的形象。在捕捉图像之前,很薄的一层黄金膜沉积在膜表面取消收费的效果。这部电影由无定形颗粒状物质,和他们是随机分布的。这些谷物的平均规模约75海里。

3.2。磨损和摩擦特性

DLN电影的咖啡和磨损因素在不同环境条件下,沉积在玻璃衬底像空气环境对不同相对湿度从35% RH下80% RH水和盐溶液测定。特定磨损试验咖啡并不是固定在一个特定的值。在一定的范围内变化。咖啡值平均获得的平均摩擦系数测量在穿着过程中摩擦计的电影。图8显示测量的咖啡DLN电影对WC球在空气存在35% RH和60% RH。结果表明,最初的咖啡是高,几个周期之后达到一个稳定值,最后突然增加后完全穿出电影。DLN电影后沉积在纳米表面波动(图展出7)。TC球时摩擦计DLN膜表面开始下滑,顶部的粒状结构逐渐被夷为平地,由于穿着效果,和轨道表面变得平滑导致的咖啡从初始值。最明显的原因是波峰来接近滑球表面。因此悬空债券目前DLN表面和球表面的波峰出现在最亲密的距离。球被金属,电子转移发生的原因,以及相对强劲DLN电影和之间的交互和粘附在球表面。这种强相互作用在滑动磨损了波峰的球。

球表面变得平坦时,滑动面是接近更多的晃来晃去的债券比只在波峰显示以下效果。随着交互悬空债券数量的增加,顶层DLN表面粘在球导致高穿DLN电影的因素。此外剥落的碎片是在磨损轨道诱导磨损进而增强电影的穿着(15,25]。

的数据图9表明,尽管咖啡逐渐增加与增加相对湿度(RH),咖啡的价值很低(< 0.08)即使在高潮湿条件(RH 80%)。另一个有趣的观察是,咖啡在去离子水小于高潮湿的空气(RH 80%)和进一步减少到0.021在生理盐水中接近50% RH条件。穿着过程中收集的数据表中列出2,相应的结果在不同环境条件下的磨损因素如图10。

在这种情况下它可能是注意DLN电影的磨损因素减少与增加空气的湿度从35% RH大幅RH 40%,达到一个较低的值在50% RH。进一步的观察发现,穿在湿度高于50% RH因子再次上升,再次达到较高值在60% RH,仍或多或少受湿度影响到80% RH。但在去离子水和0.9%氯化钠溶液的磨损因素保持极低的值(表2和图10)。正如前面所讨论的那样,我们的观察从数据可以概括9和10和表2作为(一)咖啡和磨损系数很低在0.9%氯化钠溶液;(b)咖啡是高但穿因素是相对较低的去离子水;(c)咖啡很低和磨损因素,而高与RH低空气湿度< 40%;(d)咖啡和磨损因素都高在潮湿的条件在80% RH。

上述摩擦和磨损行为可以解释为电和化学效应的考虑过程中测量。

进一步的图10表明,随着RH磨损因素首先减少了35%到80%,触及最小值,然后增加。钝化的效果表面悬空键由水分子在这一现象背后的主要原因是环境条件。空气中的水蒸气钝化(26]的悬空键接触表面DLN电影通过吸附和/或解离机制(26]。这钝化减少表面粘附与DLN交互电影和球。这种机制引起的水汽的存在不仅适用于对DLN涂层表面,也对传输层球的接触表面。当水蒸气的百分比很低(在35% RH)在测试室,一个强大的附着力之间的互动变得反脸,自钝化悬空债券DLN表面的水蒸气是更少。这导致更高价值的磨损因素在潮湿的空气。咖啡依然很低,随着DLN薄膜的表面变得光滑,和碎片的大小在2 - 4微米的顺序所看到的高分辨率光学显微镜(图11)。

ball-on-disc测试时观察到,开始与50% RH环境空气,最大数量的悬空键通过吸附的水分子被钝化,和柜台之间的交互的面孔很低导致低穿DLN电影的因素。DLN表面吸附的水分子也导致离解和DLN表面氧化15,26,27]。这些都被转移到球带电或不带电的片段。带电释放电荷的微球和碎片落在磨损轨道碎片。此外由于滑动形成的碎片凝聚成了大RH增加所看到的高分辨率光学显微镜(图11)。碎片的平均尺寸是15 - 17日在60% RH条件μ米,而这是2 - 4μ在35% RH。碎片在滑动界面变形滑动。更大量的变形所需能量更大比小型分散的碎片26,27]。这导致增加咖啡,随着RH。

进一步增加在80% RH粘附交互是无效的,晃来晃去的债券被吸附的水分子周围饱和。随着环境条件包含大量的水,因此导致物理吸附的水分子(DLN表面氧化28]。由于这种最外层表面氧化,立即下面层的结合强度变得较弱。因此,穿现象更容易发生在滑动的WC球。此外,随着RH碎片的大小增加也增加了,进而增强影片的磨料磨损以及咖啡。

在去离子水环境,咖啡还不到,空气湿度高,RH 80%,与60% RH空气密切匹配。DLN表面的磨损碎片包含碎片峰,和摩擦学的副产品(片段)都漂在水里。水,在这种特殊情况下也充当了润滑剂和冷却剂。因此,在去离子水咖啡降低80% RH。可以指出,咖啡和去离子水的磨损因素与温和湿度环境(RH 50% - -60%)。

在氯化钠的稀溶液(0.9%),咖啡被发现有非常低的价值相比,50% RH空气,和磨损因素也非常低,甚至低于50% RH。这背后的原因是,就像去离子水,盐水,也当过润滑剂和冷却剂,以减少摩擦。在这种情况下,碎片漂浮导致进一步减少摩擦。此外,盐溶液导电性远高于去离子水。相反的指控,是建立在两个滑动表面因摩擦很容易通过生理盐水排放。因此,附着力由于电效应大大降低导致非常低的磨损因素,甚至不到50% RH。

4所示。结论

DLN电影存入了用系统从一个合适的有机硅前体优秀的摩擦和磨损性能。在低湿度条件下,摩擦系数极低,磨损因素是相对较高(9.4×10⁻⁸毫米³/ Nm)。磨损的因素,然而,降至很低的值(2.7×10⁻⁸毫米³/ Nm)在50% RH。但咖啡升至0.02。磨损因素是增加了3.5倍在干燥的空气中引用50% RH条件。去离子水和盐水(0.9%氯化钠溶液)作为润滑剂和冷却剂,以减少磨损率。但在去离子水摩擦是高于氯化钠溶液。DLN电影中的摩擦学性能是非常适宜的氛围中稀释氯化钠溶液(0.9%)。这种类型的解决方案与内容等渗人的红细胞。因此DLN涂料可能是高度适用于组件人工髋关节和膝关节置换手术。它也可能是合适的机器零件的固体润滑剂。

确认

作者欣然承认DST,印度政府对金融的支持。XRD、FESEM和AFM研究进行了IIT, Kharagpur,大船,加尔各答和加尔各答大学分别加尔各答。

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