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.

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。

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。

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。

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.

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。

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。

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。

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。