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硅掺杂石墨烯纳晶碳膜的载流摩擦特性研究

电接触表面之间的载流摩擦会直接影响整个电接触系统的精度、可靠性和耐久性，降 低载流摩擦磨损对于电接触材料的减磨增寿具有重要意义。本研究利用 ECR 等离子体纳米 表面加工系统在低能电子照射下实现了硅掺杂石墨烯纳晶碳膜的沉积制备。通过结构和形貌 表征发现，随着 ECR 系统中磁控溅射腔硅靶材电流的增大（0~0.7A），硅掺杂浓度增大，碳 膜中石墨烯纳晶尺寸减小，表面粗糙度降低至超光滑状态，同时掺杂碳膜硬度从纯石墨烯纳 晶碳膜的 1.9 GPa 提高至 7.0 GPa。利用球盘型载流摩擦试验机对掺杂碳膜在大气环境下进 行载流摩擦实验，对磨球为 304 不锈钢，载荷为 2 N。摩擦实验结果发现，碳膜的摩擦性能 随着硅靶材电流的增大而提升；同时对于 0.7A 溅射硅靶材电流下制备的掺杂碳膜，随着摩 擦电流从 0 A 增至 0.5 A，其摩擦系数从 0.080 降至 0.015，其磨合期从 22 圈降至 4 圈，说 明硅掺杂碳膜在载流下具有近零磨合超低摩擦特性。基于转移膜纳米结构的观察分析，提出 近零磨合期低摩擦机理为，电流促进了 304 钢球上转移膜的快速形成，同时避免了空气中水 分子和氧气的影响，诱导了近零磨合期；硅掺杂使得碳膜表面更光滑、硬度提高，转移膜中 石墨烯的存在导致摩擦时可获得 0.015 的超低摩擦系数。