【摘 要】
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铜由于具有良好的机械、导电、导热性能而在交通、机械及电子工业等领域应用广泛,但是技术的进步对材料的综合性能要求越来越高,以便能够适应苛刻的服役环境。对于铜而言,其较差的耐磨损性能是限制其广泛应用的一个重要原因。近年来,人们已经发现纳米晶铜的耐磨损性能相比粗晶铜而言有大幅提升,并对纳米晶铜的磨损特性和机理进行了研究。但是纳米晶铜作为一种新颖的材料,到目前为止,人们对其摩擦学的研究认识还不够充分,所以
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铜由于具有良好的机械、导电、导热性能而在交通、机械及电子工业等领域应用广泛,但是技术的进步对材料的综合性能要求越来越高,以便能够适应苛刻的服役环境。对于铜而言,其较差的耐磨损性能是限制其广泛应用的一个重要原因。近年来,人们已经发现纳米晶铜的耐磨损性能相比粗晶铜而言有大幅提升,并对纳米晶铜的磨损特性和机理进行了研究。但是纳米晶铜作为一种新颖的材料,到目前为止,人们对其摩擦学的研究认识还不够充分,所以有必要进一步了解纳米晶铜的摩擦学特性以推动其实用化。本文采用电沉积法制备了纳米晶铜镀层及Mo S2纳米片/纳米晶铜复合镀层,并对它们的摩擦学特性进行研究,全文主要研究内容如下:1.采用脉冲电沉积法制备出平均晶粒尺寸为10 nm的纳米晶铜镀层,并使用球盘摩擦磨损试验机研究了其摩擦磨损性能,考察了GCr15和Zr O2两种不同摩擦偶件对纳米晶铜摩擦学行为的影响。通过SEM观察了磨痕、磨屑以及摩擦偶件接触表面的形貌,并使用EDS分析了磨屑及磨痕的元素组成,解释了两种不同摩擦偶件与纳米晶铜的磨损机理。结果表明,相比于Zr O2/Cu配副,GCr15/Cu的摩擦因数更高且波动较大,磨损机理主要以磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损为主,这导致了GCr15/Cu较高的磨损率。Zr O2/Cu的摩擦因数更低且更平稳,磨损机理主要以轻微的疲劳磨损为主,因此,表现出较低的磨损率。2.提出采用Mo S2纳米片促进纳米晶铜摩擦界面稳定形成晶粒驰豫硬化层来实现其耐磨损能力的提升。通过液相超声剥离法制备了Mo S2纳米片,采用Mo S2纳米片含量分别为:0mg/L、12.5mg/L、25mg/L、50mg/L的四种复合电镀液,制备了Mo S2含量不同的四种复合镀层。研究了电镀液中不同含量的Mo S2纳米片对电沉积制备的复合镀层生长动力学、镀层结构、形貌、硬度、摩擦学性能以及磨损机理的影响。结果表明Mo S2纳米片对镀层的沉积具有抑制作用,并且较高含量的Mo S2纳米片会导致镀层表面变得粗糙,但是Mo S2纳米片的存在能够使沉积的镀层更加致密。摩擦磨损测试结果表明,Mo S2纳米片/纳米晶铜复合镀层表现出优异的摩擦学性能。其中从Mo S2纳米片含量为12.5mg/L的电镀液中制备的复合镀层（12.5-Mo S2/Cu）性能最佳。1N载荷下12.5-Mo S2/Cu的摩擦因数（～0.19）比单纯纳米晶铜镀层（0-Mo S2/Cu）的摩擦因数（～0.5）显著降低,磨损率也只有单纯纳米晶铜镀层的1/8。Mo S2纳米片的存在使得GCr15与纳米晶铜的磨损机理由严重的粘着磨损和疲劳磨损转变成轻微的疲劳磨损。通过测量磨痕表面的硬度及观察磨痕亚表层的结构,发现在磨痕的顶层形成了一层厚度约100nm的晶粒粗化的晶界驰豫硬化层,这一硬化层的形成使得摩擦层变得稳定,有效的改善了纳米晶铜的耐磨损能力。
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