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微振試驗(yàn)中接觸界面成分對(duì)鎳鍍層電氣和摩擦學(xué)特性的影響

    作者:宏拓新軟件
    發(fā)布日期:2024-03-25         
閱讀:14     
 
 

摘 要:錫、銅和鎳等易氧化金屬主要用于制造連接器或電接觸件。它們很容易出現(xiàn)微振磨損劣化。最近的一項(xiàng)研究表明,在不同條件下電沉積的鎳鍍層可能表現(xiàn)出不同的微振磨損特性。鍍覆層特性顯示了兩個(gè)主要參數(shù)的影響,即晶粒大小和接觸表面的組成成分。本文用XPS和AES對(duì)不同鍍層的微振摩擦痕跡進(jìn)行深入研究,然后研究涂覆PFPE潤滑膜后的鍍層電氣和機(jī)械特性。我們對(duì)微振摩擦斑痕做了分析,并通過試驗(yàn)過程中測(cè)得的接觸電阻值的演變?cè)佻F(xiàn)電接觸劣化情景。結(jié)果發(fā)現(xiàn),亞光鎳鍍層經(jīng)過數(shù)千次微振后,Rc仍然保持在中值水平。我們認(rèn)為,選擇具有分支結(jié)構(gòu)的潤滑劑有利于形成一層薄的惰性氟化膜,從而延緩了鍍覆層的劣化和氧化。

關(guān)鍵詞:連接器;成分;鎳鍍層;電性能;微振;氟;潤滑;摩擦化學(xué)

 

1 引言

本文旨在介紹一項(xiàng)專題研究的后續(xù)成果。該項(xiàng)目旨在研究鎳鍍層在微振腐蝕條件下的電氣、機(jī)械和微觀結(jié)構(gòu)特性[1]。電接觸件由亞銅材料制成,并鍍覆了一層保護(hù)層。廉價(jià)的鍍覆層一般容易氧化。金屬鎳通常用作擴(kuò)散阻擋層,但即使在腐蝕性大氣條件下也可作為最終的鍍覆層,在接觸表面形成一層原生氧化膜,而且其接觸電阻可能會(huì)很高。很多參數(shù)都會(huì)影響Rc的初始值,如粗糙度、硬度、表面成分。表面粗糙度和硬度與薄膜的晶粒度和“紋理”有關(guān)。據(jù)一些研究者報(bào)道,這些性能可以按需定制。接觸表面成分與電鍍?cè)∫撼煞钟嘘P(guān),與鎳表面腐蝕動(dòng)力學(xué)也密切相關(guān)。這方面在業(yè)界已經(jīng)得到廣泛研究,尤其是在大氣腐蝕條件下。

與任何電接觸問題一樣,為了找到一個(gè)高性能的解決方法,我們必須評(píng)估接觸件在承受與實(shí)際負(fù)載相應(yīng)的機(jī)械應(yīng)力下的電氣特性。本文研究了兩種不同的鎳鍍層;一種是亞光鍍覆層,另一種是光亮鍍覆層。我們采用受控正弦振幅的微振試驗(yàn)來評(píng)估不同鍍層,并使用氟化潤滑劑來改變亞光鍍覆層微振區(qū)域,這樣就可以在微振試驗(yàn)過程中以低摩擦方式進(jìn)行完全滑移。我們所選的潤滑劑是PFPE,因?yàn)樗哂卸栊、穩(wěn)定性和良好的溫度-壓力變化曲線。潤滑劑已被證明可以改善鍍錫接觸件的微振特性。因此,評(píng)估潤滑劑對(duì)鎳表面鍍層的影響很有意義,尤其是了解它們是如何保持電接觸以及它們是否容易分解。

一些研究報(bào)道了含縮醛基團(tuán)的PFPE在路易斯酸(Lewis acid)中的自動(dòng)催化降解現(xiàn)象。這些研究主要涉及Al和Fe。其他研究表明,PFPE在鎳鍍層上不會(huì)出現(xiàn)任何分解;它強(qiáng)調(diào),對(duì)于那些具有分支結(jié)構(gòu)的潤滑劑來說,CF3基團(tuán)可對(duì)縮醛OCF2O并不牢固的化合鍵起屏蔽保護(hù)作用。本文使用XPS和俄歇(Auger)光譜來了解兩類鎳鍍層在微振試驗(yàn)過程中接觸界面的變化,然后對(duì)潤滑后的接觸件進(jìn)行分析。我們發(fā)現(xiàn),表面成分不同,接觸件的電氣特性迥異。

2 樣品和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品

微振試驗(yàn)的基底金屬試樣是黃銅(Cuzn30),并按[1]中所述在硫酸鹽浴液中鍍覆了兩種不同的鎳鍍層。2μm厚的鍍覆層是在60°C溫度下沉積的,其電流密度為10A dm-2。接觸件為平面上球型。將球形(曲率半徑r=1.3mm)沖壓在一些經(jīng)過鍍覆的試樣上。所用潤滑劑是一種支鏈全氟潤滑劑,由蘇威蘇萊克斯公司生產(chǎn)的全氟聚醚(PFPE)。其運(yùn)動(dòng)粘度約為1854cSt。

運(yùn)動(dòng)粘度

將試樣浸入用Galden SV90稀釋的潤滑劑溶液(5%Vol)中,并在空氣中晾干。

2.2 特性描述方法

我們用一臺(tái)Wyko光學(xué)輪廓儀來測(cè)定3D圖像和形貌參數(shù)。

XPS表面分析則用一臺(tái)PHI5000 Versaprobe多功能XPS顯微探針來完成。該顯微探針包括單色的Al Ka光源以及用于俄歇分析(AES)和掃描俄歇顯微鏡的電子槍。對(duì)于XPS,其功率設(shè)置在1.25W~50W范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)的光束寬度為10μm~200μm,加速電壓設(shè)置為15kV。我們采用一種187.85eV的通過能來獲得測(cè)量光譜(0- 1400 eV),其能量階躍為0.4eV,駐留時(shí)間為20ms。所選能量范圍的高分辨率光譜則采用23.5eV的通過能、0.1eV的能量階躍和50ms的駐留時(shí)間。

我們所用的電荷中和系統(tǒng)采用低能離子源和低能電子源,以避免表面帶電,并使用光學(xué)和X射線誘導(dǎo)的二次電子圖像(SXI)定位微振磨損痕跡,并選擇相關(guān)區(qū)域進(jìn)行分析。為此,我們采用一臺(tái)直徑為15μm 的X射線束收集顯微區(qū)域光譜和圖譜。該系統(tǒng)分別用潔凈的銅Cu 2p3/2和Cu LMM在932.7eV和918.7eV下進(jìn)行校準(zhǔn)。光束出射角為45°。我們采用PHL Multipak作為XPS和AES數(shù)據(jù)處理軟件:其底色已通過Shirley方法去除。選擇高斯、洛倫茲和不對(duì)稱峰進(jìn)行擬合,并選擇合適的相對(duì)靈敏度因子來確定樣品的化學(xué)計(jì)量。我們采用線性最小二乘法(LLS)擬合來獲得某元素的不同化學(xué)狀態(tài)圖。

2.3 微振試驗(yàn)

微振試驗(yàn)所采用的是一種專用設(shè)備,包括一臺(tái)電動(dòng)振動(dòng)器,在2.5 N恒定法向力下可向接觸件施加受控正弦運(yùn)動(dòng)(50μm峰-峰間距,頻率為1 Hz)。在測(cè)試過程中,我們用數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量接觸件的電壓降,電流值設(shè)置為20mA,電壓限定為250mV。每次循環(huán),要獲取位置d、摩擦力Ft和電壓降Uc的500個(gè)數(shù)值。在實(shí)驗(yàn)過程中,根據(jù)Uc的500個(gè)測(cè)量值計(jì)算出一次循環(huán)的Rc平均值,繪制出平均Rc值與每10次微振循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。

3 結(jié)果和討論

3.1 先前試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

先前的微振試驗(yàn)表明,在微振試驗(yàn)過程中,不同條件下電沉積鎳鍍層可能具有迥然不同的特性,如[1]中的圖1所示。結(jié)果表明,表面成分、形貌、機(jī)械特性、靜態(tài)電氣特性以及微振試驗(yàn)(完全滑移或部分滑移微振區(qū)域)過程中的電氣特性密切相關(guān)。

微振(1Hz,2.5n,25μm)試驗(yàn)中的球形/平面接觸件亞光鎳和光亮鎳Rc(n)

微振次數(shù)n

圖1微振試驗(yàn)(1Hz,2.5n,25μm)中的球形/平面接觸件亞光鎳和光亮鎳Rc(n)[l]

本文對(duì)導(dǎo)致這些微振特性的相關(guān)機(jī)理做了進(jìn)一步分析,其微振磨痕如圖2所示。由于在微振試驗(yàn)開始時(shí)出現(xiàn)粘附現(xiàn)象,我們?cè)?00次循環(huán)后,將兩個(gè)接觸元件分離,觀察到試樣上有亞光鍍層凸塊(高度大于17μm)。5000次循環(huán)后,微振磨痕處出現(xiàn)大量碎屑。因此,亞光樣品不適合進(jìn)行表面分析。經(jīng)歷微振試驗(yàn)的光亮鎳鍍層出現(xiàn)了微振磨痕,但幾乎沒有劣化,即便在5000次微振之后也是如此,而且容易進(jìn)行分析。

微振實(shí)驗(yàn)后的磨痕光學(xué)圖

圖2 微振試驗(yàn)后的磨痕光學(xué)圖。a)亞光Ni鍍層500次循環(huán),b)亞光Ni 5000次循環(huán),c)光亮Ni鍍層500次循環(huán)、d)光亮Ni 5000次循環(huán);顯示刻度為100μm,適用于所有圖像[1]

我們的任務(wù)就是研究鍍層表面的成分,尤其是表面含碳層對(duì)鎳鍍層微振特性的影響。這種含碳層有從光亮電鍍液中偶爾生成的,也有的是從潤滑膜等沉積下來的。

3.2光亮鎳鍍層微振磨痕分析

對(duì)于500次和5000次微振特性循環(huán),我們做了大面積XPS分析(包括整個(gè)微振斑痕),并與微振磨損痕跡外的參考分析做了對(duì)比。必要時(shí),也可以在今后做進(jìn)一步分析。

1)500次微振特性磨損痕跡

掃描電子顯微圖(SEM):a)500次微振和b)5000次微振在光亮Ni(3kv,10NA)鍍層上的磨痕;圖像顯示刻度為20μm。

圖3 掃描電子顯微圖(SEM):a)500次微振特性和b)5000次微振特性在光亮Ni(3kv,10NA)鍍層上的微振磨痕;圖像顯示刻度為20μm。

圖3a對(duì)應(yīng)區(qū)域的組成成分見表1所示。對(duì)500次微振磨痕來說,其Ni/O比為0.6。雖然表1~表3中的數(shù)值為平均值,但可以對(duì)所研究的不同情況進(jìn)行比較。這些值是四舍五入后的近似值,故其總數(shù)往往并不是100%。為了獲得同一區(qū)域更精確的信息,我們?cè)?.5W下用15μm的光束獲取其微振磨損痕跡圖。

表1 500和5000次微振特性后光亮Ni成分(AT%元素)

500和5000次微振后光亮Ni成分(AT%元素)

圖4為鎳的XPS圖,而圖5是氧原子XPS圖。我們從圖4a不同區(qū)域提取對(duì)應(yīng)的光譜圖,并通過線性最小二乘擬合方法(LLS)給出各自對(duì)應(yīng)于不同化學(xué)狀態(tài)(圖4b和4c)的更詳細(xì)圖譜。因此,與其微振磨痕對(duì)應(yīng)的圖4b顯示出在854eV處具有特征峰的NIO型氧化鎳(圖4d中的光譜1),而圖4c顯示在此微振磨痕之外,鎳相當(dāng)于具有一層氧化物和氫氧化物的金屬鎳(852.7eV),如[1]所述。圖5是相應(yīng)的含氧光譜圖。

可以看出,與微振磨損痕跡中的氧對(duì)應(yīng)的圖5b主要源于NiO中的氧(529.6eV)。這與圖1中觀察到的接觸電阻Rc超過1Ω的高值相吻合。隨后,我們通過記錄3kv、10NA電子束激發(fā)的俄歇電子來生成各種俄歇圖。其尺寸小于1μm,因此可以顯示非常小的細(xì)微部分。圖6是微振磨損痕跡中氧的俄歇圖:微振磨痕中O的含量比外面多。我們?cè)?SPAN style="TEXT-ALIGN: center">微振磨損痕跡中可以觀察到一些黑斑,這便是絕緣電阻較高區(qū)域,也是形成極高接觸電阻的深層次原因。

500次微振后光亮Ni的XPS圖譜。a)全局圖,b)磨痕光譜內(nèi)部,c)磨痕光譜外部,d)859至851eV的對(duì)應(yīng)的光譜結(jié)合能(BE),1eV刻度

圖4 500次微振試驗(yàn)后光亮Ni的XPS圖譜。a)全局圖,b)微振磨痕光譜內(nèi)部,c)微振磨痕光譜外部,d)859至851eV的對(duì)應(yīng)的光譜結(jié)合能(BE),1eV刻度

 

光亮Ni鍍層500次微振后氧原子XPS圖。        a)全局圖,b)磨痕光譜內(nèi)部,c)磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:從534到527eV,1eV刻度。

圖5光亮Ni鍍層500次微振后氧原子XPS圖。 a)全局圖,b)微振磨痕光譜內(nèi)部,c)微振磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:從534到527eV,1eV刻度。

 

光亮Ni鍍層500次微振后的含原子俄歇圖,圖片顯示尺度為20μm。

圖6 光亮Ni鍍層500次微振試驗(yàn)后的含原子俄歇圖,圖片顯示尺度為20μm。

2)5000次微振特性磨痕

5000次微振特性磨損痕跡的組成,對(duì)應(yīng)于圖3b的SEM圖像,如圖1所示。鎳含量(17%)明顯低于500次微振磨損痕跡中的鎳含量(26%)。

Ni的XPS圖如圖7所示,與圖4不同:微振磨痕的組成不均勻。我們?cè)趫D7b中觀察到一個(gè)氧化鎳外環(huán)。其對(duì)應(yīng)的光譜(圖7d)表明它是NiO,與圖8b的氧原子光譜圖極為相似。微振磨痕中心部位出現(xiàn)了一些銅,如圖9所示。銅未出現(xiàn)氧化現(xiàn)象,這與圖1中Rc值極低非常吻合。

這表明,光亮鎳鍍層在緩慢地進(jìn)行微振特性磨損。當(dāng)此處的氧化物-氫氧化物層被磨掉后,暴露的金屬鎳以強(qiáng)絕緣形式(NiO)發(fā)生氧化。當(dāng)銅暴露時(shí),我們就記錄到較低的Rc,直到銅最終被氧化。來自光亮沉積物的含碳層和較小的粗糙度是形成這種機(jī)理的主要原因。下一步,我們將研究潤滑膜對(duì)光亮鎳和亞光鎳的影響。

光亮Ni鍍層5000次微振后Ni原子XPS圖。     a)全局圖,b)磨痕光譜內(nèi)部,c)磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE858至850eV,1eV刻度

圖7 光亮Ni鍍層5000次微振特性后Ni原子XPS圖。 a)全局圖,b)微振磨痕光譜內(nèi)部,c)微振磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE858至850eV,1eV刻度

 

光亮Ni鍍層5000次微振后氧原子XPS圖譜。     a)全局圖,b)磨痕光譜內(nèi)部,c)磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE534至527eV,1eV刻度

圖8 光亮Ni鍍層5000次微振特性后氧原子XPS圖譜。 a)全局圖,b)微振磨痕光譜內(nèi)部,c)微振磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE534至527eV,1eV刻度

 

光亮鎳鍍層5000次微振后Cu原子XPS圖譜

圖9光亮鎳鍍層5000次微振特性后Cu原子XPS圖譜

3.3帶有潤滑膜的鎳鍍層微振特性

如前所述,沉積的樣品涂上PFPE膜,并做相同的微振試驗(yàn)。其微振電氣特性和微振摩擦特性如圖10所示。潤滑后的亞光鍍層沒有出現(xiàn)任何粘附現(xiàn)象;微振摩擦力非常低(Ft約為0.5N,微振摩擦系數(shù)μ為0.2)。Rc在50次微振特性循環(huán)之后就迅速達(dá)到10mΩ,但在1500次微振特性循環(huán)過程中一直保持在20mΩ以下。對(duì)于光亮鍍覆層來說,潤滑膜的存在使得第一次微振特性后所測(cè)得的Rc非常高,但在經(jīng)過約100次微振特性之后(其Ft由0.3N上升為0.5N)降到20mΩ。

經(jīng)受微振(1Hz,2.5N,25μm)的球形/平面接觸件的亞光Ni和光亮Ni的Rc和Ft(n)

微振次數(shù)n

 

經(jīng)受微振(1Hz,2.5N,25μm)的球形/平面接觸件的亞光Ni和光亮Ni的Rc和Ft(n)

微振次數(shù)n

圖10 經(jīng)受微振試驗(yàn)(1Hz,2.5N,25μm)的球形/平面接觸件的亞光Ni和光亮Ni的RcFt(n)

 

柱狀圖顯示在500和5000次微振后靜態(tài)干燥和潤滑條件下亞光(a)和光亮(b)Ni接觸件Rc值

圖11 柱狀圖顯示在500和5000次微振試驗(yàn)后靜態(tài)干燥和潤滑條件下亞光(a)和光亮(b)Ni接觸件Rc

圖11概括了兩種鍍覆層在干燥和潤滑條件下的Rc值。圖中沒有顯示相關(guān)誤差,因?yàn)槲覀冄芯康哪康牟皇菧?zhǔn)確地討論Rc的各種值,而是分析其趨勢(shì)。為此,我們做了幾項(xiàng)微振實(shí)驗(yàn),證實(shí)了文中所給出的各種趨勢(shì)。圖12表示浸入PFPE溶劑的樣品清洗后,鎳鍍覆層在500和5000次微振試驗(yàn)后的斑痕。

在潤滑表面上進(jìn)行微振試驗(yàn)后的摩擦斑痕光學(xué)圖。a)亞光Ni鍍層500次微振,b)亞光鎳5000次微振,c)光亮鎳500次微振,d)光亮鎳5000次微振。給出了50μm的尺度,并且該尺度適用于所有圖像。

圖12 在潤滑表面上進(jìn)行微振試驗(yàn)后的摩擦斑痕光學(xué)圖。a)亞光Ni鍍層500次微振特性,b)亞光鎳5000次微振特性,c)光亮鎳500次微振特性,d)光亮鎳5000次微振特性。給出了50μm的尺度,并且該尺度適用于所有圖像。

3.4潤滑鎳微振痕跡分析

在PFPE潤滑劑的幾種溶劑中對(duì)微振特性痕跡進(jìn)行超聲波徹底清洗,并按前面所述進(jìn)行分析。

1) 經(jīng)過潤滑的光亮鍍覆層在500次微振后出現(xiàn)微振特性磨痕

圖13a表示微振磨損痕跡SEM圖。表2中表示從大區(qū)域分析中獲得的XPS成分表。我們?cè)?SPAN style="TEXT-ALIGN: center">微振磨痕中檢測(cè)到大量的氟,這些氟沒有通過清洗去除,表明它與基材結(jié)合牢固。其含氧量小于干澡狀態(tài)下微振特性的光亮鎳(Ni/O=0.8)。

SEM圖像:a)潤滑的光亮鎳500次微振后的磨痕,b)潤滑的亞光鎳500次微振的磨痕,C)亞光鎳5000次微振后的斑痕(3kv,10NA);圖像上顯示20μm刻度

圖13 SEM圖像:a)潤滑的光亮鎳500次微振特性后的磨痕,b)潤滑的亞光鎳500次微振特性的磨痕,C)亞光鎳5000次微振特性后的斑痕(3kv,10NA);圖像上顯示20μm刻度

表2 500次微振特性后光亮Ni鍍層成分(AT%元素)

500次微振后光亮Ni鍍層成分(AT%元素)

圖14顯示微振磨痕上Ni的XPS圖?梢钥闯,其微振磨痕并不均勻,而且不是由氧化鎳(NiO)組成。圖14 d中的光譜顯示不同結(jié)合能的峰值,其中心位于857eV——這不是NiO的典型特征。此外,圖15中的氧元素示蹤圖也沒有顯示NiO的存在,其峰值為529.6eV。圖16顯示微振磨痕中的氟元素。碳和氟的示蹤圖似乎彼此關(guān)聯(lián)。其他F光譜也驗(yàn)證,857eV處的Ni峰值可以歸屬于與F相連的Ni。這與其他人員的研究成果極為吻合。這些微振實(shí)驗(yàn)表明,潤滑劑在微振試驗(yàn)過程中避免了氧化鎳(NiO)的形成。這也可以解釋圖10中的Rc值比圖1低。

經(jīng)過潤滑的光亮Ni鍍層500次微振后的Ni的XPS圖譜。a)全局圖譜b)磨痕光譜內(nèi)部,c)磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:(BE)862至848eV,2eV刻度

圖14經(jīng)過潤滑的光亮Ni鍍層500次微振試驗(yàn)后的Ni的XPS圖譜。a)全局圖譜b)微振磨痕光譜內(nèi)部,c)微振磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:(BE)862至848eV,2eV刻度

 

500次微振潤滑的光亮Ni的XPS O圖譜。a)全局圖,b)磨痕光譜內(nèi)部,c)磨痕光譜外部,d)相應(yīng)的光譜a:BE從536到528eV,1eV刻度

圖15 500次微振試驗(yàn)潤滑的光亮Ni的XPS O圖譜。a)全局圖,b)微振磨痕光譜內(nèi)部,c)微振磨痕光譜外部,d)相應(yīng)的光譜a:BE從536到528eV,1eV刻度

 

經(jīng)過潤滑的光亮鎳鍍層500次微振后C和F元素XPS圖譜

圖16經(jīng)過潤滑的光亮鎳鍍層500次微振試驗(yàn)后C和F元素XPS圖譜

2)潤滑亞光鍍層500次循環(huán)后的微振痕跡

研究潤滑劑對(duì)粗糙表面(如亞光鎳表面鍍層)的影響很有意義[1]。表3是微振試驗(yàn)?zāi)ズ?見圖13b)的組成。微振磨痕中可以檢測(cè)到大量的氟,而檢測(cè)到的氧則相對(duì)較少。

表3 經(jīng)過500和5000次微振試驗(yàn)后潤滑亞銅鎳鍍層成分 (AT%元素)

經(jīng)過500和5000次微振后潤滑亞銅鎳鍍層成分 (AT%元素)

在圖17中,微振斑痕中的鎳的特征曲線在857eV處形成了一個(gè)峰值——這種結(jié)合能被賦給了Ni,使之與F結(jié)合。我們?cè)趫D18的O圖譜中沒有發(fā)現(xiàn)以NiO形式存在的Ni。碳和氟的分布情況見圖19所示。

經(jīng)過潤滑的亞光鎳鍍層500次微振后的Ni元素XPS圖。a)全局圖b)磨痕光譜內(nèi)部,c)磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE從862到848eV,2eV刻度。

圖17經(jīng)過潤滑的亞光鎳鍍層500次微振試驗(yàn)后的Ni元素XPS圖。a)全局圖b)微振磨痕光譜內(nèi)部,c)微振磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE從862到848eV,2eV刻度。

 

經(jīng)過潤滑的亞光鎳鍍層500次微振后的O元素XPS圖。a)全局圖,b)磨痕光譜內(nèi)部,c)磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE從535到528eV,1eV刻度。

圖18 經(jīng)過潤滑的亞光鎳鍍層500次微振試驗(yàn)后的O元素XPS圖。a)全局圖,b)微振磨痕光譜內(nèi)部,c)微振磨痕光譜外部,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE從535到528eV,1eV刻度。

 

潤滑的亞光鎳500次微振后的C和F XPS圖

圖19 潤滑的亞光鎳500次微振試驗(yàn)后的C和F XPS圖

3)潤滑的亞光鍍層5000次微振磨痕

圖13c是經(jīng)過潤滑的亞銅鎳5000次微振試驗(yàn)?zāi)ズ跾EM圖。

經(jīng)過潤滑的亞光鎳鍍層5000次微振后的Ni元素XPS圖。a)全局圖,b)磨痕內(nèi)的光譜,c)磨痕外的光譜,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE從859到851eV,1eV刻度。

圖20經(jīng)過潤滑的亞光鎳鍍層5000次微振后的Ni元素XPS圖。a)全局圖,b)微振磨痕內(nèi)的光譜,c)微振磨痕外的光譜,d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE從859到851eV,1eV刻度。

Ni的XPS圖如圖20所示。與微振磨痕外相比,微振磨痕內(nèi)發(fā)現(xiàn)的鎳更少。微振磨痕中的鎳也被分配給與F鏈接的鎳;圖21的氧XPS光譜圖也顯示微振磨痕中以NiO化合形態(tài)存在的氧非常少。圖22中的碳(C)和氟(F)元素示蹤圖驗(yàn)證了這一分布情況。這表明,即使在5000次微振之后,潤滑劑仍可以有效地防止大氣中的氧化。一些微振磨損是由于試驗(yàn)中銅的存在而產(chǎn)生的,而銅沒有氧化。

經(jīng)過潤滑的亞光鎳鍍層5000次微振后的O元素XPS圖。a)全局映射b)磨痕光譜內(nèi)部,c)磨痕光譜外部d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE從535到528eV,1eV刻度

圖21經(jīng)過潤滑的亞光鎳鍍層5000次微振后的O元素XPS圖。a)全局映射b)微振磨痕光譜內(nèi)部,c)微振磨痕光譜外部d)對(duì)應(yīng)的光譜:BE從535到528eV,1eV刻度

 

5000次微振后潤滑亞光Ni鍍層中C和F XPS圖。

圖22 5000次微振后潤滑亞光Ni鍍層中C和F XPS圖。

5 討論

經(jīng)過清洗工序后,氟幾乎只有在微振磨痕中檢測(cè)到。從低暴露條件下記錄的光譜(以避免鍍層受損)中,我們可以看到一個(gè)非常明確的F1s峰值。該峰值可以由683.8eV、686.2cv和688.3eV的三個(gè)組分?jǐn)M合而成。游離PFPE的F1s峰值已知為689eV。為了進(jìn)行分析,這里清洗掉游離的潤滑劑,這樣就可以分析遷移到微振表面的氟化物。這也證明了PFPE在微振過程中可以轉(zhuǎn)移到暴露的鎳金屬上。據(jù)報(bào)道,這種轉(zhuǎn)移既可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,也可以通過計(jì)算得出。在目前情況下,一些PFPE可以在微振摩擦過程中轉(zhuǎn)移到暴露的鎳金屬上。這種由微振摩擦誘導(dǎo)形成的氟化層時(shí)有報(bào)道。

使用含縮醛OCF2O基團(tuán)的線性PFPE研究表明,潤滑劑可能會(huì)發(fā)生自動(dòng)催化降解,主要是Al和Fe。據(jù)報(bào)道,由于CFS基團(tuán)的屏蔽保護(hù)作用,帶有分支的PFPE分子不受這種機(jī)理的影響。我們有強(qiáng)有力的證據(jù)表明,在微振過程中,微振摩擦?xí)䦟?dǎo)致形成與表面緊密結(jié)合的氟化含碳化合物。因此,潤滑劑的自由分子保持在接觸界面中或通過接觸界面進(jìn)行保持,避免其機(jī)械降解,導(dǎo)致暴露的鎳出現(xiàn)氧化。不過,如果接觸表面在分析過程中長時(shí)間暴露在X射線或電子束中,C-F鍵也可能會(huì)發(fā)生斷裂,形成氟化鎳。

6 結(jié)論

研究表明,光滑的鎳鍍層(如光亮鎳)在微振過程中的緩慢磨損可能會(huì)導(dǎo)致NiO絕緣層的形成。用一層薄的PFPE潤滑膜保護(hù)接觸界面免受大氣中氧氣的影響。這一點(diǎn)得到了明確的證據(jù),同時(shí)也表明在接觸界面中產(chǎn)生了氟化物。結(jié)果顯示,潤滑膜的存在可以避免亞光鍍覆層中出現(xiàn)粘附和粘結(jié)現(xiàn)象,因此避免了Rc在從部分滑移過渡到完全滑移之后出現(xiàn)急劇增大現(xiàn)象。不過,潤滑膜會(huì)使Rc初始值增大,尤其是在表面更光滑的情況下,如光亮的接觸表面。

 

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