温度电场耦合下纳米结构碳膜的摩擦学特性及机理

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.01.004

摘要/Abstract

摘要：

在SiO₂基体上分别制备了纳米结构（非晶及石墨烯纳晶）碳膜，利用自主设计的多物理场耦合往复式摩擦学实验装置，研究了不同纳米结构的碳膜在温度电场耦合作用下的摩擦学特性。室温下，纳米结构碳膜摩擦因数的主要影响因素为电场；摩擦副温度为200 ℃时，纳米结构碳膜摩擦因数的主要影响因素为温度。温度电场耦合作用下，非晶碳膜的纳米结构向纳晶结构转化，摩擦因数减小；石墨烯纳晶碳膜结构稳定，但碳膜磨损加剧导致摩擦因数波动较大。

关键词: 碳膜, 摩擦学特性, 纳米结构, 温度, 电场

Abstract:

The nanostructured carbon films including amorphous carbon films and graphene nanocrystalline carbon films were prepared on SiO₂ substrates. A self-designed reciprocating tribometer capable for applying coupled multi-physical fields was employed to investigate the tribological properties of the different nanostructured carbon films under the coupling effect of temperature and electric field. At room temperature， the electric field was the dominant factor for affecting the friction coefficient of nanostructured carbon films. When the temperature of tribopair was 200 ℃， temperature became the main influencing factor. Under the coupling effects of temperature and electric field， the structured evolution to graphitic-like structure leads the reduction of friction coefficient of amorphous carbon film. While the nanostructure of graphene nanocrystalline carbon film is stable， but the aggravated wear results in significant fluctuations of friction coefficient.

Key words: carbon film, tribological property, nanostructure, temperature, electric field

中图分类号:

TH117.1

余植敏, 陈磊, 范雪. 温度电场耦合下纳米结构碳膜的摩擦学特性及机理[J]. 中国机械工程, 2026, 37(1): 30-39.

YU Zhimin, CHEN Lei, FAN Xue. Tribological Properties and Mechanism of Nanostructured Carbon Films under Coupling Effect of Temperature and Electric Field[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(1): 30-39.

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图/表 18

表1 发散式离子照射纳米碳膜的制备参数

Tab.1 Preparation parameters of nanostructured carbon films by divergent ion irradiation

参数		数值	参数	数值
基片材料		P型SiO₂	基片尺寸/mm	25×25
工作气体		氩气	工作气压/Pa	0.07
靶材偏压/V		$-$ 500	基片偏压/V	$-$ 5
线圈电流/A	左	32	微波功率/W	350
	中	34	微波功率/W	350
	右	0	沉积时间/ min	50

表1 发散式离子照射纳米碳膜的制备参数

Tab.1 Preparation parameters of nanostructured carbon films by divergent ion irradiation

参数		数值	参数	数值
基片材料		P型SiO₂	基片尺寸/mm	25×25
工作气体		氩气	工作气压/Pa	0.07
靶材偏压/V		$-$ 500	基片偏压/V	$-$ 5
线圈电流/A	左	32	微波功率/W	350
	中	34	微波功率/W	350
	右	0	沉积时间/ min	50

表2 封闭式电子照射纳米碳膜制备参数

Tab.2 Preparation parameters of nanostructured carbon films by closed electron irradiation

参数		数值	参数	数值
基片材料		P型SiO₂	基片尺寸/mm	25×25
工作气体		氩气	工作气压/Pa	0.07
靶材偏压/V		$-$ 500	基片偏压/V	50
线圈电流/A	左	40	微波功率/W	256
	中	40	微波功率/W	256
	右	48	沉积时间/min	25

表2 封闭式电子照射纳米碳膜制备参数

Tab.2 Preparation parameters of nanostructured carbon films by closed electron irradiation

参数		数值	参数	数值
基片材料		P型SiO₂	基片尺寸/mm	25×25
工作气体		氩气	工作气压/Pa	0.07
靶材偏压/V		$-$ 500	基片偏压/V	50
线圈电流/A	左	40	微波功率/W	256
	中	40	微波功率/W	256
	右	48	沉积时间/min	25

图1 温度与电场耦合摩擦实验装置图

Fig. 1 Schematic diagram of temperature and electric field coupled tribometer

图2 纳米结构碳膜的TEM表面样图像及C 1s峰的XPS能谱

Fig.2 Plan-view TEM images and XPS spectrum of C 1s of nanostructured carbon films

表3 不同纳米结构碳膜方块电阻的测试结果

Tab.3 Test results of sheet resistance for different nanostructured carbon films

基片偏压/V

薄膜厚度/nm

方块电阻/

（kΩ/sq）

电阻率/

（10 $- 4$ Ω·m）

-

表3 不同纳米结构碳膜方块电阻的测试结果

Tab.3 Test results of sheet resistance for different nanostructured carbon films

基片偏压/V

薄膜厚度/nm

方块电阻/

（kΩ/sq）

电阻率/

（10 $- 4$ Ω·m）

-

115

1.61

1.85

115

0.72

0.83

图3 室温电场耦合作用下纳米结构碳膜的表面温度

Fig.3 Surface temperature of nanostructured carbon films with different electric fields under room temperature

图4 室温电场耦合作用下纳米结构碳膜摩擦曲线及平均摩擦因数曲线

Fig. 4 Friction curves and average friction coefficient curves of nanostructured carbon films with different electric fields under room temperature

图5 纳米结构碳膜在四种条件下的摩擦因数曲线

Fig.5 Friction coefficient curves of nanostructured carbon films under four temperature and electric field conditions

图6 高温（200 ℃）电场耦合作用下纳米结构碳膜的摩擦曲线及平均摩擦因数曲线

Fig. 6 Friction curves and average friction coefficient curves of nanostructured carbon films with different electric fields under temperature of 200 ℃

图7 室温电场耦合作用下纳米结构碳膜对磨球转移膜光镜图

Fig.7 Optical images of transfer films with different electric fields under room temperature

图8 室温电场耦合作用下纳米结构碳膜对磨球转移膜在电流为0.07A时的拉曼光谱图

Fig.8 Raman spectra of transfer films at a current of 0.07 A under room temperature

图9 室温电场耦合作用下纳米结构碳膜表面磨痕图

Fig.9 Optical images of wear tracks on the nanostructured carbon films with different electric fields under room temperature

图10 高温（200℃）电场耦合作用下对磨球转移膜光镜图

Fig.10 Optical images of transfer films with different electric fields under temperature of 200℃

图11 高温（200 ℃）电场耦合作用下对磨球转移膜拉曼光谱图

Fig.11 Raman spectra of transfer films with different electric fields under temperature of 200 ℃

图12 高温（200 ℃）电场耦合作用下纳米结构碳膜磨痕光镜图

Fig.12 Optical images of wear tracks on the nanostructured carbon films with different electric fields under temperature of 200 ℃

图13 非晶碳膜在不同条件下的TEM表面样图像

Fig.13 Plan-view TEM images of amorphous carbon film under different conditions

图14 纳米结构碳膜在不同条件下的拉曼光谱图

Fig.14 Raman spectra of nanostructured carbon films under different conditions

图15 温度电场耦合作用下纳米结构碳膜的摩擦机理分析图（I=0.07 A）

Fig.15 Friction mechanisms of nanostructured carbon films under the coupling effect of temperature and electric field （I=0.07 A）

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