納米結構碳薄膜低摩擦機制及發動機應用

張俊彥

(中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室 蘭州 730000)

　　摘要 實現超低摩擦對工業技術的發展和節能減排具有重要意義。隨著國際能源短缺與氣候變暖的雙重壓力, 汽車發動機面臨的主要技術挑戰是節能、減排與可靠性。我國汽車行業與世界同行的差距主要在于發動機關鍵零部件。發動機關鍵部件低摩擦固體潤滑技術的突破和應用，有望使發動機的油耗降低2～5%，CO2 排放降低4～9%，也是解決發動機可靠性如振動、噪音的關鍵技術。盡管已有關于超低摩擦的基礎研究報道，但是都是在特殊氣氛或條件下獲得的，沒有實際工程應用價值。

　　設計構筑在大氣環境條件下具有超低摩擦特性的固體潤滑薄膜材料與技術，實現工程應用是該領域的關鍵挑戰。核心科學問題是如何基于微觀結構設計賦予薄膜超低摩擦特性。類富勒烯結構由于五元、七元環結構的存在導致平面六元環結構彎曲，將平面二維結構的高強、高彈、高韌擴展到三維網絡結構。同時，這些彎曲結構可以顯著降低碳薄膜中懸鍵的能量，增強薄膜在潮濕氣氛下的穩定性，阻止薄膜在摩擦過程中發生劇烈的氧化反應。因此，類富勒烯結構賦予碳薄膜高硬度、高彈性、超低摩擦性能。

　　一般認為，類金剛石薄膜的低摩擦系數是由于在摩擦過程中表面層發生石墨化，形成類石墨的界面層，它充當了固體潤滑層而使摩擦系數很低。但事實卻與石墨的摩擦行為相違背：石墨在干燥大氣中的摩擦系數較高，而在潮濕大氣中有更低的摩擦系數;與之相反，含氫類金剛石薄膜卻在干燥大氣中的摩擦系數較低，而在潮濕大氣中的摩擦系數較高。然而，在這兩種薄膜的摩擦界面處都發生了石墨化轉移膜。因此，不能將低摩擦和低磨損的轉移膜簡單的看作石墨結構。認為，對類金剛石薄膜而言，在摩擦過程中摩擦界面轉移膜的石墨化是必然發生的，這并不是類金剛石薄膜具有優異摩擦性能的主要原因。相反，轉移膜的化學特性對類金剛石薄膜的摩擦行為起決定作用。

　　含氫類金剛石薄膜中有大量與共價鍵或σ 鍵碳原子鍵合的氫原子，可以將含氫類金剛石薄膜看作非計量比的碳氫化合物。因此，具有低剪切力的非計量比碳氫化合物轉移膜的生成是薄膜具有優異摩擦性能的主要原因之一。低摩擦碳基固體潤滑涂層在一汽自主發動機高壓共軌噴油系統關鍵部件——柱塞和氣門系統的挺柱表面的應用結果表明，使用固體潤滑涂層可明顯減小活塞靜態漏油量，大幅提升油泵供油效率，降低摩擦系數70%，提高關鍵部件磨損壽命10 倍以上。