铝基体上定向碳纳米棒阵列膜制备及摩擦学性能

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1、摘要铝具有优良的物理和化学性能，被广泛地应用于Z,lk领域中，但同时较差的摩擦性能及埘磨能力又限制了其在那些具有相对滑动要求方面的应用。长期以来，研究者通过采用阳极氧化、离子注入及加固体润滑添加剂等方法来对金属铝进行表面改件处理，以改善其摩擦性能及耐磨能力，斤取得了较大的进展。研究表明：作为传统崮体润滑剂的石墨在空气中具有良好的摩擦性能，但当工作环境为真窄中或从空气向真空转变时，其摩擦性能将急剧恶化，摩擦系数迅速增大，并且住较短滑动距离内失效；层状结构的过渡金属硫化物(MoS2、WS2等)由于晶体边缘不饱和的悬挂键具有化学活性，在潮湿空气和富氧环境中容易精合到金属表面和

2、被氧化也大大降低了其摩擦学性能。近来，具有与金刚石相类似的物理和化学性能的非晶态碳(a．C)膜引起了人们的极大兴趣。但是，由于其同金属基底的界面结合强度较低，在使用过程中容易从基底剥落，从而限制了非晶态碳膜的工业应用。最近，碳纳米管由r其独特的分子结构、优异的物理和化学性能而倍受科学界的关注。关于利用模板实现碳纳米管的定向生长的文章陆续被报道，特别是以多孔阳极氧化铝(AAO)作为模板，科学家们就其潜在的心用价值竹!了初步的探时。本文住铝基体上阳极氧化铝的宵序纳米孔中电化学沉积过渡金属催化剂，通过调整多孔AAO薄膜上孔的分布密度、孔径以及在有序纳米孔中电化学沉积催化剂的种

3、类，控制化学催化气一吲反应条付，采用催化化学气相沉积法(CCVD法)割备具有不同C—C结构和组织形念的定向碳纳米管及碳纳米棒阵列；结合场发射扫描电镜(FE—SEM)及原了力显微镜(AFM)观察及表征多孔AAO薄膜有序纳米孔的孔径及分布密度，采用能谱分析仪(EDS)分析催化荆颗粒在多孔AAO薄膜上纳米孔巾的沉积情况，利用激光{t曼(Raman)光谱仪、x射线衍射仪(XRD)、及高分辨透射电镜(HRTEM)等仪器分析制备的定向碳纳米管及碳纳米棒的微观结构和组纵形态，特别是sp3键与sp2键之比、碳纳米棒的石墨化结晶程度等：在无油润滑条件下，采用球一盘摩擦磨损实验机(真空和可

4、控气氛环境)和原子力显微镜／摩擦力显微镜(AFM—FFM)测量定向碳纳米棒阵列膜在不同载荷、滑动速度以及使役环境状态卜的摩擦系数和磨损率的变化；利娜场发射SEM及激光Raman光谱仪分析定向碳纳铝基体卜定向碳纳米棒阵列膜制备及摩擦学性能米捧阵列膜的磨损表面形貌和微观组织形态的变化，从微脱层面L阐述不同环境及试验条件下铝基体11定向碳纳米棒阵列膜的摩擦磨损机制。研究结果显示：在微载荷F，含较高s一键分数的定向碳纳米棒阵列膜在窄气、真窄、富氧及水汽等环境中都拥有较低的摩擦系数，表明铝基体上定向碳纳米棒阵列膜具有较好的环境摩擦稳定性；另外，由f定向碳纳米棒阵列膜与铝基体上BU

5、极氧化铝之间良好的界面结合强度以及非品态碳纳米棒优异的力学性能，从而使得铝蛙体．L定向碳纳米棒阵列膜还表现出了较好的耐磨能力。这一研究成果为解决无油润滑条件F材料的摩擦磨损问题提供了新的途径，并对获得在极端条件下具有优异减摩耐磨性能的新型摩擦材料及其在航天技术r{，的运用都将产+生指导作用。关键词：铝基体。定向碳纳米捧，阵列膜，微观结构，摩擦磨损AbstraclAbstractAluminumhasbeenusedinmanyaspectsduetoitsexcellentphysicalandchemicalproperties．However，highfrictio

6、ncoefficientandpoorvvearresistancerestrictedtheapplicationsthatrequireslidingcontact．Forlongtime，variousmethods，suchasanodicoxidation，ionimplanting，solidlubricantadditives．andsoon，havebeenappliedtothesurfacemodificationofmetalaluminuminordertoimproveitsfrictionpropertyandenhancetheweal"r

7、esistance，andgrownconsiderably．Manyexperimentalresultshaveshownthatthegraphiteasconventionalsolidlubricantpresentedgoodfrictionpropertyinairambient，butinvacuumorduringtheconversionfromairtovacuum，itstribologicalpropertywoulddeterioratesharply,andthefrictioncoefficientwoul