MoS_(2)基复合薄膜真空高温摩擦学性能及其机理研究

采用闭合场非平衡磁控溅射技术分别制备了纯MoS_(2)薄膜以及MoS_(2)-Ti和MoS_(2)-Ti-TiB2复合薄膜,利用真空高温摩擦试验机对比考察三种薄膜在真空环境中25~300℃下的摩擦学性能,通过拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)等分析复合元素对薄膜结构的影响以及摩擦前后薄膜结构的变化,探讨摩擦磨损机理.结果表明:纯MoS_(2)薄膜以(002)和(100)晶面取向生长,结构疏松,硬度低,在真空不同温度下摩擦寿命很短;Ti和TiB2复合后,薄膜呈现致密的非晶结构,硬度升高;MoS_(2)-Ti薄膜在低温下(25和100℃)下具有优异的摩擦学性能,当温度达到200℃以上时,摩擦寿命急剧降低;MoS_(2)-Ti-TiB2复合薄膜在25~300℃全温度范围内都保持低的摩擦系数和磨损率,这与其致密的非晶结构、摩擦界面MoS_(2)(002)晶面有序化以及高硬度耐高温TiB2掺入有关;低温下薄膜以磨粒磨损为主,高温下以擦伤为主.

MoS_(2)-C异质复合薄膜的真空超滑行为及其机制研究

采用闭合场非平衡磁控溅射技术制备了MoS_(2)-C异质复合薄膜,利用多环境可控摩擦试验机测试了薄膜在真空环境中的摩擦学性能,通过拉曼光谱仪(Raman)、X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段分析了薄膜摩擦前后结构的变化,探讨了超润滑机理.结果表明:复合薄膜呈现致密的“纳米晶/非晶”结构,在真空中具有优异的摩擦学性能,保持了超低摩擦系数(0.006~0.009)和磨损率[1.026×10^(-7)mm^(3)/(N·m)],达到了超润滑状态.摩擦过程中碳选择性转移到钢球表面形成非晶碳转移层,薄膜磨痕表面形成有序的MoS_(2)(002)晶面,摩擦发生在MoS_(2)有序晶体和非晶碳转移膜之间,形成非公度异质接触,降低摩擦系数实现超润滑.钢球/MoS_(2)-Ti、a-C:H/MoS_(2)-Ti摩擦配副在相同条件下的不同摩擦行为,也证明了上述超润滑机理.

MoS_(2)-Ti自润滑复合薄膜的高温摩擦学性能研究

目的探究Ti含量对MoS_(2)-Ti复合薄膜高温摩擦学性能的影响,制备高温摩擦性能良好的MoS_(2)-Ti复合薄膜。方法采用射频和直流双靶共溅射技术沉积了不同Ti含量的MoS_(2)-Ti复合薄膜,研究了Ti含量对MoS_(2)-Ti薄膜微观结构和力学性能的影响,进一步探究了MoS_(2)-Ti复合薄膜在大气环境下的高温摩擦学性能。采用能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM),对薄膜的成分、晶相结构及微观形貌进行分析。利用显微维氏硬度计测试薄膜的力学性能,通过UMT-TriboLab摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦磨损性能。此外,采用SEM、拉曼光谱仪(Raman)和X射线光电子能谱仪(XPS),对薄膜的磨痕形貌及对偶球转移膜的成分进行分析。结果Ti掺杂促进了MoS_(2)薄膜以(002)晶面择优取向生长,且提高了薄膜的致密度,薄膜硬度从70HV提升到350HV。MoS_(2)-Ti复合薄膜在高温环境下的摩擦性能,随Ti含量的增加呈先上升后下降的趋势,其中Ti原子数分数为6.81%的MoS_(2)-Ti复合薄膜具有较低的摩擦因数和磨损率。通过对转移膜的成分进行分析,发现处于300℃高温环境下,Ti原子数分数为13.51%的MoS_(2)-Ti复合薄膜由于在摩擦过程中生成的氧化物较多,其耐磨性能开始下降。结论Ti含量对MoS_(2)-Ti复合薄膜的高温摩擦学性能有明显的影响,掺杂适量Ti能显著提高MoS_(2)薄膜在大气环境下的高温摩擦学性能。

磁控溅射NiCrAlY/MoS_(2)复合薄膜结构与性能研究

目的通过离子源复合磁控溅射技术,制备宽温域耐磨减摩性能良好的NiCrAlY/MoS_(2)复合薄膜。方法采用离子源复合磁控溅射技术制备了NiCrAlY/MoS_2复合薄膜,研究不同MoS_(2)掺杂量对薄膜结构、力学性能和不同温度氧化热处理后摩擦学性能的影响。采用能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对薄膜元素含量、组织结构和相结构进行分析。通过显微硬度计、洛氏硬度计、球-盘式摩擦磨损试验机、3D轮廓仪及高温氧化试验,对复合薄膜硬度、膜/基结合力、摩擦磨损性能和抗氧化性能进行分析。结果 NiCrAlY及Ni CrAlY/MoS_(2)复合薄膜以柱状晶结构生长,物相结构主要由Ni_(3)Al、Ni-Cr和MoS_(2)组成。随着MoS_(2)含量的增加,薄膜柱状晶尺寸增加,致密度下降,薄膜硬度从503HV逐渐降到336HV。复合膜具有良好的膜/基结合力,结合力达到HF1级水平。掺杂MoS_(2)可以明显提高复合薄膜的摩擦学性能,当MoS_(2)掺杂量达到48.1%~69.8%时,NiCrAlY/MoS_(2)复合薄膜在室温下具有良好的耐磨减摩性能,其摩擦因数降低至0.038~0.09,磨损率比NiCrAlY薄膜降低1个数量级以上,达到2.14×10^(–6) mm^(3)/(N·m)。对NiCrAlY和NiCrAlY-48.1%MoS_(2)复合薄膜进行400℃和500℃高温氧化试验,复合薄膜氧化形成NiO、Al_(2)O_(3)、MoO_(3)相,经过氧化后复合薄膜仍具有良好的耐磨性能,400℃氧化后复合薄膜磨损率降至1.41×10^(–6) mm^(3)/(N·m)。结论 MoS_(2)掺杂量对NiCrAlY/MoS_(2)复合薄膜结构和性能有重要影响,当MoS_(2)原子数分数为48.1%时,复合薄膜在常温以及高温氧化后均具有良好的耐磨减摩性能。

基体表面粗糙度对MoS_(2)/Ti薄膜摩擦磨损性能的影响

为揭示基体表面粗糙度对MoS_(2)/Ti固体润滑薄膜摩擦磨损性能的影响规律,并探究其摩擦磨损机理,采用磁控溅射方法,在不同表面粗糙度的轴承钢基体上沉积MoS_(2)/Ti薄膜。通过划痕测试仪、X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜和粗糙度轮廓仪,分别评价MoS_(2)/Ti薄膜的膜基结合力、物相成分、表面微观形貌以及表面粗糙度,并采用球-盘摩擦磨损实验研究干摩擦、固体-油复合润滑和固体-脂复合润滑条件下,MoS_(2)/Ti薄膜的摩擦磨损性能。结果表明:随着基体表面粗糙度的增加,MoS_(2)/Ti薄膜的表面粗糙度逐渐增加;薄膜中(002)_(MoS_(2))和(100)_(MoS_(2))衍射峰的强度先减弱后增加;薄膜与基体的结合性能降低。当基体表面粗糙度为0.01μm时,干摩擦条件下MoS_(2)/Ti薄膜具有良好的润滑特性,平均摩擦因数为0.101,磨痕浅且小;随基体粗糙度的升高,样品的平均摩擦因数和磨损率均是先增大后减小,薄膜的主要磨损机制由磨粒磨损转变为屑片形成和破碎。当基体粗糙度较大时(R_(a)=0.26μm),分子间相互作用的影响大于机械啮合作用。采用固体-油复合润滑,高基体粗糙度的薄膜磨损表面不再出现片层剥落现象,磨痕较浅,平均摩擦因数最高可减小19%。固体-脂复合润滑条件下,样品摩擦磨损性能较差,基体粗糙度对摩擦因数的影响不显著。

Mo/MoS_(2)-Pb-PbS复合薄膜的真空摩擦学行为研究

多组元复合是提高润滑薄膜苛刻工况下服役性能的有效方法。采用“射频磁控溅射+低温离子渗硫”复合工艺,在9Cr18轴承钢表面制备了Mo/MoS_(2)-Pb-PbS复合固体润滑薄膜;利用自主研制的MSTS-1型多功能真空摩擦磨损试验机研究了8×10^(-5) Pa真空条件下法向载荷和滑动速率对Mo/MoS_(2)-Pb-PbS复合薄膜摩擦学性能的影响。结果表明,在所设定的5种滑动速率下,Mo/MoS_(2)-Pb-PbS薄膜的摩擦因数随滑动速率的增大而缓慢减小,磨损率经一定周次的跑合后逐渐趋于稳定;在不同的法向载荷下,随着载荷的增大,薄膜的摩擦因数呈近似抛物线增大,变化范围在0.03~0.24之间;薄膜表面的磨痕宽度同样随着载荷的增大而增大。

MoS_(2)/WS_(2)复合薄膜的环境适应性和摩擦学性能

湿热大气环境对MoS_(2)润滑薄膜的摩擦学性能有严重的劣化作用。采用非平衡磁控溅射技术成功制备了WS_(2)掺杂MoS_(2)复合薄膜,研究发现,MoS_(2)基体中掺入少量WS_(2)可以诱导MoS_(2)沿(002)晶面择优生长,薄膜结构变得更加致密,显著抑制腐蚀介质的渗透和扩散,使MoS_(2)/WS_(2)复合薄膜展现出高盐雾耐蚀性、小摩擦因数和低磨损率。成分优化的MoS_(2)-1.6%WS_(2)(原子分数)复合薄膜在经历4天的盐雾试验后仅表层被氧化,仍能保持0.16的小摩擦因数和3.80×10^(-6) mm^(3)/(N·m)的低磨损率。

预沉积ZnO薄膜对ZnO−MoS_(2)/ZnO复合涂层结构与性能影响

目的通过优化原子层沉积工艺获取不同厚度ZnO薄膜,研究ZnO薄膜晶体取向对ZnO−MoS_(2)涂层生长结构的影响,获得具有优异摩擦学性能的ZnO−MoS_(2)/ZnO复合涂层。方法采用原子层沉积法在不锈钢基体上预沉积不同厚度的ZnO薄膜,再用射频磁控溅射技术继续沉积ZnO−MoS_(2)涂层,制备ZnO−MoS_(2)/ZnO固体润滑复合涂层。结果X射线衍射分析发现,预沉积ZnO薄膜有诱导后续ZnO−MoS_(2)涂层沉积生长的作用,预沉积100 nm厚ZnO薄膜的ZnO−MoS_(2)/ZnO复合涂层显示出宽化的MoS_(2)(002)馒头峰,其截面形貌显示为致密的体型结构,获得的摩擦因数最低(0.08),纳米硬度最高(2.33 GPa),硬度/模量比显示该复合涂层的耐磨损性能得到提升;X射线光电子能谱分析结果表明,复合涂层表面游离S与空气中水发生反应程度大约为原子数分数5%,显示复合涂层耐湿性能较好;基于原子层沉积ZnO薄膜生长及其对后续ZnO−MoS_(2)涂层生长的影响分析,提出了ZnO−MoS_(2)/ZnO复合涂层磨损模型,阐明了ZnO薄膜对复合涂层结构及摩擦学性能的影响,并以该模型解释了200 nm厚ZnO薄膜上沉积ZnO−MoS_(2)涂层出现的摩擦因数由高到低的变化趋势及最终磨损失效现象。结论合适的原子层沉积制备的ZnO薄膜有利于MoS_(2)(002)取向生长,可有效提升ZnO−MoS_(2)/ZnO复合涂层的摩擦学性能;控制ZnO薄膜厚度,可实现ZnO薄膜与基底及ZnO−MoS_(2)层间界面之间的优化结合,以制得具有较好摩擦学性能及使用寿命的ZnO−MoS_(2)/ZnO复合涂层。

真空宽载下二硫化钼/碳复合薄膜的超低磨损机制

空间装备正朝着重载、长时间运行的方向发展,对润滑材料的性能要求日益提高。当前二硫化钼(MoS_(2))薄膜主要在真空低载下(<0.5 GPa)服役,因此须发展针对真空宽载(中高载)下服役的二硫化钼复合薄膜。通过非平衡磁控溅射技术制备MoS_(2)/DLC复合薄膜,利用SEM、AFM、XRD、XPS、Raman、TEM、真空摩擦试验机等分析薄膜结构、形貌、摩擦学性能及磨损机制。结果显示:DLC的加入能够改善MoS_(2)柱状结构,使复合薄膜更加致密,并且能够促进薄膜以(002)晶面择优取向生长。复合薄膜在真空宽载(0.73~1.27GPa)下均能保持稳定的低摩擦因数(0.02~0.06)和低磨损率(10-10mm^(3)·N^(-1)·m^(-1)),与MoS_(2)相比降低了三个数量级。通过对磨屑进行分析,发现复合薄膜在摩擦过程能发生石墨化转变,形成有序的石墨结构以及润滑性能优良的(002)取向的MoS_(2),同时在MoS_(2)催化作用及接触应力诱导下,形成的层间低剪切力的石墨结构及层状的MoS_(2)有利于实现低摩擦因数和低磨损率。非晶碳的加入使得复合薄膜在真空环境下能够保持低摩擦因数和超低磨损率。通过复合结构设计实现了二硫化钼/碳复合薄膜在真空宽载条件下的超低磨损,可为空间超低磨损薄膜的设计、开发和应用提供一定的实验基础和理论指导。

聚丙烯腈/二硫化钼复合薄膜的挠曲电效应分析及其应用

复合薄膜中挠曲电材料的质量分数对薄膜的挠曲电效应影响显著,为探究聚丙烯腈(PAN)/MoS_(2)复合薄膜中MoS_(2)质量分数对其挠曲电压及挠曲电系数的影响规律,采用静电纺丝方法制备PAN/MoS_(2)复合薄膜,借助扫描电子显微镜和X射线衍射仪对复合薄膜的结构、形貌、元素组成等进行表征,基于悬臂梁方法测试不同MoS_(2)质量分数对PAN/MoS_(2)复合薄膜挠曲电效应的影响,通过间歇式挠曲电效应测试检测复合薄膜的稳定性。结果表明:挠曲电压和挠曲电系数随着MoS_(2)质量分数的增大而提高,且在MoS_(2)质量分数为50%时挠曲电压和挠曲电系数达到最优,分别为0.8 V和1.96 nC/m;该薄膜的挠曲电效应稳定性优异,串联多个PAN/MoS_(2)复合薄膜可获得较高的挠曲电压,且电压衰减极弱,可广泛适用于微小型可穿戴电子设备。