纳米结构碳薄膜低摩擦机制及发动机应用

纳米结构碳薄膜低摩擦机制及发动机应用

张俊彦

(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室 兰州 730000)

　　摘要 实现超低摩擦对工业技术的发展和节能减排具有重要意义。随着国际能源短缺与气候变暖的双重压力, 汽车发动机面临的主要技术挑战是节能、减排与可靠性。我国汽车行业与世界同行的差距主要在于发动机关键零部件。发动机关键部件低摩擦固体润滑技术的突破和应用，有望使发动机的油耗降低2～5%，CO2 排放降低4～9%，也是解决发动机可靠性如振动、噪音的关键技术。尽管已有关于超低摩擦的基础研究报道，但是都是在特殊气氛或条件下获得的，没有实际工程应用价值。

　　设计构筑在大气环境条件下具有超低摩擦特性的固体润滑薄膜材料与技术，实现工程应用是该领域的关键挑战。核心科学问题是如何基于微观结构设计赋予薄膜超低摩擦特性。类富勒烯结构由于五元、七元环结构的存在导致平面六元环结构弯曲，将平面二维结构的高强、高弹、高韧扩展到三维网络结构。同时，这些弯曲结构可以显著降低碳薄膜中悬键的能量，增强薄膜在潮湿气氛下的稳定性，阻止薄膜在摩擦过程中发生剧烈的氧化反应。因此，类富勒烯结构赋予碳薄膜高硬度、高弹性、超低摩擦性能。

　　一般认为，类金刚石薄膜的低摩擦系数是由于在摩擦过程中表面层发生石墨化，形成类石墨的界面层，它充当了固体润滑层而使摩擦系数很低。但事实却与石墨的摩擦行为相违背：石墨在干燥大气中的摩擦系数较高，而在潮湿大气中有更低的摩擦系数;与之相反，含氢类金刚石薄膜却在干燥大气中的摩擦系数较低，而在潮湿大气中的摩擦系数较高。然而，在这两种薄膜的摩擦界面处都发生了石墨化转移膜。因此，不能将低摩擦和低磨损的转移膜简单的看作石墨结构。认为，对类金刚石薄膜而言，在摩擦过程中摩擦界面转移膜的石墨化是必然发生的，这并不是类金刚石薄膜具有优异摩擦性能的主要原因。相反，转移膜的化学特性对类金刚石薄膜的摩擦行为起决定作用。

　　含氢类金刚石薄膜中有大量与共价键或σ 键碳原子键合的氢原子，可以将含氢类金刚石薄膜看作非计量比的碳氢化合物。因此，具有低剪切力的非计量比碳氢化合物转移膜的生成是薄膜具有优异摩擦性能的主要原因之一。低摩擦碳基固体润滑涂层在一汽自主发动机高压共轨喷油系统关键部件——柱塞和气门系统的挺柱表面的应用结果表明，使用固体润滑涂层可明显减小活塞静态漏油量，大幅提升油泵供油效率，降低摩擦系数70%，提高关键部件磨损寿命10 倍以上。