中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

在类金刚石(DLC)碳膜的大家庭中，含氢类富勒烯(FLC)碳膜以其优越的机械硬度、弹性恢复以及低摩擦磨损等特性获得广泛关注。影响其摩擦学性能的因素主要有薄膜内部结构，表面特性和摩擦环境(干摩擦或固-油复合)等方面，但目前对该类碳膜的相关研究并不系统、完善。基于此，本文针对含氢碳膜的类富勒烯结构控制、氟元素掺杂、表界面修饰和摩擦学性能(包括干摩擦与固-油复合两种润滑条件)之间的内在联系进行了深入的研究。主要研究成果如下：

1. 采用高频单极脉冲电源和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备制备出一系列含氢碳膜。通过对沉积偏压的大范围调节(－600~－1600 V)，实现含氢碳膜从典型非晶结构到类富勒烯结构的可控制备，并在高沉积偏压下获得具有低摩擦低磨损性能的高质量含氢FLC 薄膜。

2. 采用PECVD设备实现了低氟含量FLC薄膜的可控制备。结果表明高偏压下所沉积的含氟FLC薄膜结合了含氟类金刚石薄膜良好表面性能与类富勒烯碳氢薄膜高机械性能的优点，在摩擦试验中表现出优异的减摩抗磨特性。

3. 通过piranha溶液处理和分子自组装，实现了含氢FLC薄膜表面的可控改性，获得表面能差异极大的两种薄膜(分别为73.73和31.2 mJ/m²，水接触角分别为3.3°和115.3°，Al₂O₃对偶球做了相同处理)。摩擦结果显示，亲水/亲水对偶面(FLC-OH/Al₂O₃-OH)之间具有极高的相互作用而产生较高的摩擦力，适于水环境或边界润滑条件下的应用；而疏水/疏水对偶面(FLC-OTS/Al₂O₃-OTS)因低表面能和特殊表面结构而展现出极佳的减摩性能，适用于小尺寸器件的干摩擦环境。

4. 选取具有大粘度范围(5~150 mm²/s)的工业级白油，考察在白油润滑条件下含氢FLC 薄膜的润湿性、摩擦学行为以及油运动粘度对整个润滑体系的影响。研究表明含氢FLC薄膜的油润湿性随运动粘度减小而增强；随运动粘度增大，含氢FLC薄膜摩擦系数呈先减小后增加趋势；同时，含氢FLC薄膜的磨损率随粘度增大逐渐减小。