活塞环表面MoS_(2)薄膜在干摩擦和贫油润滑条件下的摩擦学性能研究

大功率、长冲程和高爆发压柴油机是交通运输、工程机械、国防装备和核电应急发电机领域的重要动力设备。柴油机关键运动副活塞环-缸套在冷/热启动时,缸套的上下止点位置处于干摩擦或贫油润滑状态,易发生局部异常磨损导致动力性能丧失。为抑制活塞环-缸套运动副的异常磨损,采用磁控溅射技术在活塞环表面制备了MoS_(2)薄膜;利用SRV-IV微动摩擦磨损试验机模拟柴油机频繁冷/热启动工况,评价了表面附加MoS_(2)薄膜的活塞环与缸套摩擦副的摩擦学性能;利用扫描电镜(SEM)表征了MoS_(2)薄膜微观结构和摩擦前后摩擦副的表面形貌。结果表明:相比于原始CKS活塞环-缸套,MoS_(2)薄膜活塞环-缸套在干摩擦条件下的摩擦系数从1.07大幅降低至0.11,缸套磨损率从8.61×10^(-6) mm^(3)/(N·m)降低至3.71×10^(-8) mm^(3)/(N·m);在常温贫油条件下摩擦系数从0.18降低至0.11,磨损率从1.43×10^(-7) mm^(3)/(N·m)降低至3.22×10^(-8) mm^(3)/(N·m);在高温贫油条件下摩擦系数从0.12降低至0.08,磨损率从7.08×10^(-8) mm^(3)/(N·m)降低至1.12×10^(-8 )mm^(3)/(N·m);摩擦过程中活塞环表面MoS_(2)薄膜的转移是摩擦副摩擦学性能提升的主要原因。

纳米MoS_(2)固体薄膜制备及在钢领上的应用研究

为了减小纺织机械及器材专件的摩擦磨损,对比分析普通MoS_(2)油和脂与纳米MoS_(2)固体薄膜的润滑机理和特性,提出一种在钢领上采用真空化学气相沉积法合成纳米MoS_(2)固体薄膜的制备工艺;通过X射线衍射谱图和原子力显微镜,分析纳米MoS_(2)固体薄膜的组织结构及表面形貌,并对纳米MoS_(2)钢领进行镀铬镀氟渗杂复合膜处理。通过对比纳米MoS_(2)固体薄膜钢领与普通钢领纺纱质量,指出:纳米MoS_(2)固体薄膜具有优异的润滑性能,可以代替普通润滑油,达到纺织设备及器材专件少用油、不用油及无油自润滑的目的;纳米MoS_(2)的制备方法是制约其应用和发展的瓶颈;镀铬镀氟渗杂复合膜纳米MoS_(2)钢领在潮湿环境中不易生锈,较普通钢领的成纱质量好,值车工劳动强度小,钢领使用寿命延长。

闭合场-磁控溅射制备Ti掺杂MoS_(2)复合薄膜及其摩擦学性能研究

采用闭合场-磁控溅射沉积技术,通过调节沉积过程中钛靶的溅射电流,分别在单晶Si(100)和304不锈钢基底上制备不同含量Ti掺杂MoS_(2)复合薄膜。利用场发射扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪和透射电子显微镜表征薄膜的形貌、微观结构及元素含量;利用纳米压痕仪、球-盘摩擦试验机系统考察薄膜的力学性能和在大气环境下的摩擦学性能及其与薄膜中Ti元素含量之间的关系。结果表明:随着溅射电流增加,薄膜中Ti元素含量增加、MoS_(2)晶粒的生长尺寸变小,使MoS_(2)由尺寸较大的层状结构向短程有序、长程无序的无定型非晶结构转变。尤其在钛靶电流为1.0 A条件下制备的Ti元素原子分数为18.55%的Ti/MoS_(2)复合薄膜表现出较好的致密性和硬度,同时Ti元素相比于MoS_(2)可以在摩擦界面处优先与O结合,使薄膜中MoS_(2)抗氧化性能提升,从而改善了薄膜的摩擦学性能。

织构化钛合金表面MoS_(2)薄膜的制备及其微动摩擦学性能研究

钛合金作为1种性能优异的轻金属结构材料,其较差的耐磨性限制了钛合金在摩擦学领域的应用.本文中通过将表面织构化与固体润滑薄膜相结合在钛合金表面制备了MoS_(2)复合润滑薄膜,考察了织构参数以及摩擦对偶材料对其微动摩擦学行为的影响.研究表明:当摩擦对偶为GCr15球时,表面织构化与固体润滑剂相结合能显著减小材料的磨损和延长润滑寿命,织构密度为20%的样品表面容易形成转移膜,润滑寿命最长.而当摩擦对偶为TC4球时,在相同测试条件下,表面复合结构的抗磨寿命远低于摩擦对偶为GCr15球时的寿命.摩擦对偶材料影响着复合润滑结构的润滑寿命,表面织构能够起到补充固体润滑剂和捕获磨屑的作用,从而达到抗磨减摩的目的,同时适宜的织构密度能明显延长复合润滑结构的微动寿命.

MoS_(2)单晶薄膜的制备及生长机制研究

通过研究二维MoS_(2)薄膜的制备工艺参数以及生长规律,为过渡金属硫化物薄膜的制备工艺提供技术经验。采用化学气相沉积法,以MoO3和S粉为前驱体,通过调控载气流速、保温时间和MoO_(3)的质量,制备一系列MoS_(2)薄膜。利用光学显微镜、拉曼光谱仪、光致发光光谱仪、原子力显微镜等测试设备对MoS_(2)薄膜的层数和结构进行表征;分析了工艺参数对MoS_(2)薄膜的影响,探索了中心成核的生长机制。结果表明,在载气流速为110 mL/min、保温时间为10 min、MoO_(3)的质量为2.5 mg的条件下,得到的MoS_(2)薄膜最优。同一衬底上存在不同厚度的连续的MoS_(2)薄膜。通过控制前驱体的比例和适当的工艺参数可以制备长度为100μm甚至更大尺寸的单层MoS_(2)薄膜。

MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜结构设计及其宽温域摩擦性能研究

目的探究环境温度对MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜摩擦磨损性能的影响,探讨并揭示薄膜在高温环境下的损伤机理。方法采用非平衡磁控溅射技术制备MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜,评价Ti、WC双功能组元以及纳米多层结构设计对薄膜表面形貌和微观结构的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)等表征手段对薄膜的晶体结构、表截面形貌以及表面粗糙度进行分析,利用原位纳米压痕仪对薄膜的力学性能进行评估,利用高温摩擦磨损试验机评价薄膜在不同温度环境(25~300℃)下的摩擦磨损性能,进一步通过激光共聚焦对磨痕和磨斑进行光学形貌分析,并利用能谱仪(EDS)和共聚焦显微拉曼光谱(Micro-Raman)对钢配副表面的摩擦转移膜进行成分分析。最终揭示MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜在不同温度下的磨损机理。结果MoS_(2)/Ti-WC纳米多层的结构设计可以诱导MoS_(2)(002)晶面的择优生长,获得表面平整光滑、结构致密的薄膜。相比于MoS_(2)/Ti薄膜,WC纳米层的引入,赋予薄膜更高的硬度和硬/弹比。MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜在潮湿空气中的平均摩擦因数为0.07,平均磨损率为6.14×10^(-7)mm^(3)/(N·m)。结论MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜在宽温域(100~300℃)内保持稳定的摩擦性能,这得益于薄膜纳米多层的结构设计、高的硬/弹比以及优异的抗氧化性能,同时在钢配副表面形成了连续且致密的转移膜。

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.

射频磁控溅射法制备MoS_(2)薄膜的最佳工艺参数研究

采用射频(RF)磁控溅射法在石英衬底上制备了MoS_(2)薄膜。通过正交试验研究了溅射时间、溅射温度、氩气流量和溅射功率对MoS_(2)薄膜结构的影响。通过XRD、Raman、XPS、EDS和SEM对MoS_(2)薄膜的结晶度、薄膜厚度和表面形貌进行分析,得到了制备MoS_(2)薄膜的最佳工艺参数。发现溅射温度较高或较低结晶度都很差,在较低的溅射温度下样品的XRD衍射峰不明显。而当温度为250℃时,样品的XRD衍射峰较多,结晶度较好。根据正交试验法得出溅射温度对MoS_(2)的结晶效果起着至关重要的作用,其次是氩气流量。当溅射温度为250℃,氩气流量为6 mL/min,溅射时间为30 min,溅射功率为300 W或400 W时,MoS_(2)膜的结晶度较好。在这个条件下制备的膜较厚,但为以后的实验指明了方向。保持溅射温度、溅射功率和氩气流量不变,通过减少时间成功制备了厚度为58.9 nm的薄膜。

载流下MoS_(2)/Ag纳米复合薄膜摩擦学性能

MoS_(2)基纳米复合薄膜具有良好的摩擦学性能,但较差的导电性能限制了其在载流条件下作为润滑材料的应用。为提高MoS_(2)基纳米复合薄膜的导电性能,采用非平衡磁控溅射系统沉积2种不同Ag含量的MoS_(2)/Ag纳米复合薄膜,并在不同的电流条件下研究MoS_(2)/Ag纳米复合薄膜与GCr15钢球对摩时的摩擦学性能。结果表明:在载流下2种MoS_(2)/Ag纳米复合薄膜表现出相似的摩擦性能,而低掺杂MoS_(2)/Ag薄膜具有更佳的耐磨性能,这归因于低掺杂MoS_(2)/Ag薄膜具有较好的力学性能;无载流时,MoS_(2)/Ag纳米复合薄膜在摩擦过程中生成的氧化物颗粒增加了磨损、降低了润滑性,磨损机制主要为磨粒磨损;电流小于0.5 A时,电流促进了转移膜形成,使得摩擦因数降低,但磨损率增加,磨损机制主要为黏着磨损;当电流大于0.5 A时,由于电弧烧蚀加速了薄膜的磨损,磨损机制主要为磨粒磨损、黏着磨损和电弧腐蚀磨损。

95%Ar+5%H_(2)气氛中退火对M/MoS_(2)(M=Ti、Al、Mo和Ag)薄膜形貌、结构和电学性能的影响

采用射频(RF)磁控溅射在硅基片上连续逐层沉积制备了M/MoS_(2)(M=Ti、Al、Mo和Ag)纳米薄膜,随后对其在95%Ar+5%H_(2)混合气氛中进行了500℃的退火处理。采用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和两探针等研究了退火处理及不同金属膜基底对MoS_(2)薄膜表面形貌、结构和金半接触电性能的影响。结果表明:所制备的纳米膜均匀且连续,界面紧密且清洁;95%Ar+5%H_(2)混合气氛中退火处理能强烈影响顶部MoS_(2)层的形貌并可有效去除MoS_(2)中的杂质氧,改善其结晶性、稳定性和结构完整性;拉曼光谱结果显示在4种金属基底上的MoS_(2)薄膜均为块状结构,其中Ag和Mo基底上的MoS_(2)薄膜结晶性相对较好,Ag基底上MoS_(2)薄膜出现了呈片层与颗粒的混合形态;对比实验数据和综合性能得出Mo作为MoS_(2)的组成元素,与MoS_(2)金半接触电阻最低更适合作为MoS_(2)基电子器件的电极材料。

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。

齿轮钢电沉积Ni-W/MoS_(2)自润滑复合镀层及性能研究

采用电沉积工艺在制造齿轮常用的40Cr钢表面制备掺杂MoS_(2)颗粒的Ni-W/MoS_(2)自润滑复合镀层,并研究MoS_(2)颗粒对复合镀层表面形貌、晶相结构、显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明:Ni-W/MoS_(2)自润滑复合镀层完整覆盖40Cr钢表面,主要成分为Ni、W、Mo和S元素,存在4个Ni的衍射峰并且都呈现(220)晶面择优取向。镀液中MoS_(2)颗粒质量浓度变化导致镀层的晶粒形态及致密性显现出差异,MoS_(2)颗粒含量呈现先升高后降低趋势,造成显微硬度先增大后减小,耐磨性能先改善后变差。当镀液中MoS_(2)颗粒质量浓度为5 g/L,Ni-W/MoS_(2)复合镀层中MoS_(2)颗粒含量达到4.17%,形成条状与乳突状不同形态的晶粒,结合更紧密,其硬度达到607.5 HV,表面磨痕宽度仅为420μm,表现出良好的耐磨性能,能起到较理想的减摩作用,从而显著提高40Cr钢的耐磨性能。

MoS_2/a-C复合薄膜在高/低湿度环境下的摩擦学性能研究

采用磁控溅射方法制备了MoS_2薄膜与不同碳含量的MoS_2/a-C复合薄膜,利用XRD、SEM、Raman光谱仪、纳米压痕仪和CSM摩擦试验机等分析了复合薄膜的结构、力学和摩擦学性能.结果表明:MoS_2薄膜为疏松的柱状结构,MoS_2/a-C复合薄膜为无定形的致密结构,硬度较高.低湿环境下MoS_2薄膜与MoS_2/a-C复合薄膜的摩擦性能差别不明显;高湿环境下薄膜的摩擦系数和磨损率均有所升高,其中MoS_2薄膜与低碳含量的MoS_2/a-C复合薄膜氧化严重,而高碳含量的MoS_2/a-C复合薄膜的摩擦学性能稳定,对湿度交替变换的环境适应性更佳.这是由于碳元素掺杂改善复合薄膜的微观结构,提高复合薄膜的抗氧化性和力学性能.

MoS_2-Al复合薄膜高温摩擦学性能研究

目的提升MoS_2薄膜在高温环境下的润滑性能。方法应用非平衡磁控溅射技术共溅射MoS_2靶和Al靶沉积MoS_2-Al复合薄膜。通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压入仪和CSM牌高温摩擦磨损试验机,评价MoS_2-Al复合薄膜表面及断面形貌、微观结构、机械性能和高温环境下的摩擦学性能,并通过奥斯巴林显微镜观察磨痕及磨斑形貌。结果温度超过400℃时,Al含量(原子数分数)为18.3%的MoS_2-Al复合薄膜表现出了优异的高温润滑性能,摩擦初始阶段的摩擦系数保持在0.07左右,平均摩擦系数低至0.172,比纯MoS_2薄膜的摩擦系数降低了64%,摩擦曲线十分稳定。结论当薄膜中Al的添加量为18.3%时,Al的引入在不破坏MoS_2结构时起到了自身优先氧化的作用,从而保护了MoS_2结构不被破坏,使MoS_2-Al复合薄膜在高温环境下的润滑能力得到了显著提升。

原子氧对非平衡磁控溅射MoS_(2)-Ti复合薄膜真空摩擦学性能的影响

对采用非平衡磁控溅射方法制备的柱状晶MoS_(2)-Ti复合薄膜开展了原子氧(AO)辐照试验.原子氧的平均动能是5 eV,累计辐照通量6.0×10^(22)atoms/cm^(2).原子氧造成薄膜表面出现"绒毯"状形貌,表层的MoS_(2)和内部的低价钛氧化物分别被氧化成硬质的MoO_(3)和TiO_(2),但原子氧对距表层30 nm以下Mo的化学态没有影响.薄膜的初始真空摩擦系数和磨损率分别由辐照前的大约0.018和4.49×10^(-17)m^(3)/(N·m)升高至0.03和5.5×10^(-17)m^(3)/(N·m),磨损机制也发生了由黏着磨损向磨粒磨损的转变.

工件台转速对非平衡磁控溅射沉积MoS_2-Ti复合薄膜的结构与性能影响

采用非平衡磁控溅射沉积技术制备MoS2-Ti复合薄膜,研究了工件台转速对薄膜的结构和性能的影响。利用XRF和XRD分析薄膜的成分和晶相结构,用CSEM薄膜综合性能测试仪测试薄膜的硬度和与基底间的附着力,用球-盘摩擦试验机和真空环模系统评价薄膜的真空摩擦磨损性能。结果表明:提高工件台转速改善了掺杂金属Ti在薄膜中的分布均匀性,起到了细化晶粒尺寸,使薄膜组织结构致密性加强的效果。工件台转速变化不影响薄膜成分,薄膜的晶相从明显的(002)基面优势取向向准晶态转变;薄膜的硬度、与基底间的附着力都随工件台转速的提高而增大;薄膜在真空环境中的减摩作用与工件台转速无关,摩擦因数平均值为0.02,波动范围为0.01～0.04,薄膜耐磨寿命随工件台转速提高而延长。

WS_2薄膜/空间液体润滑剂复合润滑体系的摩擦学性能研究

采用射频溅射技术制备了WS2薄膜,考察了WS2/全氟聚醚(815Z)和WS2/聚烯烃取代环戊烷(P201)两种固/液复合润滑体系的真空摩擦学性能.通过扫描电子显微镜(SEM)、三维表面轮廓仪对磨损表面的微观形貌进行了分析,采用X射线能量色散谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)分析了磨损表面元素的组成和化学状态.探讨了两种固/液复合润滑体系的摩擦磨损特性和失效机理.结果表明:WS2/815Z复合润滑体系中,二者相容性较差,摩擦系数较高、波动较大,且表现出较高的磨损率;WS2薄膜与P201的相容性较好,组成的复合润滑体系表现出较低且平稳的摩擦系数和较低的磨损率,具有良好的协同效应.

不同摩擦副条件下二硫化钼薄膜的摩擦学性能研究

为了研究MoS_(2)-Ti薄膜与9Cr18钢、W-DLC和DLC薄膜的摩擦学行为,分别采用磁控溅射技术和等离子体增强化学气相沉积技术在9Cr18钢表面沉积了MoS_(2)-Ti薄膜、W-DLC和DLC薄膜。用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)研究了薄膜的表面形貌、化学成分和相组成。利用纳米压痕仪和球-盘摩擦试验机对不同薄膜的纳米硬度和摩擦学性能进行了分析。研究结果表明,MoS_(2)-Ti薄膜与DLC薄膜的摩擦因数和磨损率最小。相比MoS_(2)-Ti薄膜与不镀膜的9Cr18钢球摩擦副,MoS_(2)-Ti薄膜与W-DLC薄膜摩擦副的摩擦因数和磨损率没有减小。MoS_(2)-Ti薄膜与W-DLC薄膜摩擦副的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损,与DLC薄膜摩擦副的磨损机制为黏着磨损。摩擦副表面沉积DLC薄膜有助于降低MoS_(2)-Ti薄膜的摩擦因数和磨损率。

磁控溅射防锈MoS_2薄膜沉积工艺研究

介绍了磁控溅射制备防锈MoS2薄膜的沉积工艺,同时对影响膜层性能的几个因素进行了初步的探讨,并且制备了防锈性能优良的MoS2薄膜样品。