C/N共掺MoS2复合薄膜的微结构及其摩擦特性研究

采用射频磁控溅射法,在氩和氮混合气氛下共溅射二硫化钼和石墨靶制备不同石墨靶溅射功率的C/N共掺MoS_2复合薄膜(MSCN).通过EDS、XPS、SEM和TEM对薄膜的成分及微观组织结构进行分析;利用纳米压痕仪,高真空摩擦试验机和UMT-2摩擦试验机分析薄膜的力学和摩擦学性能,并探讨了C/N共掺及对薄膜结构、力学和摩擦学性能的影响.结果表明:MSCN复合薄膜中的C含量随着石墨靶溅射功率的增加而增加;C/N共掺使得薄膜结构致密平整;当石墨靶溅射功率350 W时,薄膜呈现自形成纳米多层结构,该结构的出现使得薄膜最高硬度可达9.76 GPa,并且在高真空和大气环境下相比纯MoS_2薄膜表现出更低的摩擦系数以及良好的高耐磨性.     

MoS2/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.     

MoS2基复合薄膜制备及其结构与摩擦学性能研究

利用多靶磁控溅射法制备MoS_2基系列复合薄膜,通过扫描电子显微镜、X-ray衍射、拉曼光谱对薄膜微观形貌及晶体结构进行表征,利用纳米压入表征薄膜硬度及弹性模量,通过微动摩擦磨损试验对比分析了该系列薄膜在大气环境下的润滑性能.研究结果表明:MoS_2薄膜中复合C、Ti元素可有效抑制薄膜生长过程中柱状结构的形成,薄膜更为致密;复合薄膜的摩擦系数及磨损率显著降低.其中,MoS_2+C+Ti三元复合薄膜硬度为7.43 GPa,其弹性模量及弹性恢复量分别为98.1 GPa和61.7%.在大气环境(RH 35%~50%)下,法向载荷10 N时MoS_2+C+Ti薄膜具有最低的磨损率4.67×10–17 m~3/(N·m),该薄膜在不同载荷的微动摩擦试验中均具有最好的承载力.     

不同调制周期MoS2/DLC多层薄膜结构及摩擦学性能

采用多靶射频磁控溅射方法,在Si(100)衬底上制备不同调制周期(Λ分别为54 nm、30 nm、18 nm)MoS_2/类金刚石(DLC)多层薄膜.利用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜、纳米压痕仪研究多层膜的形貌、微观结构及力学性能受调制周期的影响规律;利用球-盘摩擦试验机考察薄膜在大气环境下的润滑性能.结果表明:采用交替沉积MoS_2/DLC多层膜可有效抑制溅射MoS_2中柱状结构生长,制备的薄膜结构致密;多层膜硬度随调制周期的增加而增大.透射断面分析表明:多层膜层间界面不平整但周期性结构清晰且致密,其调制周期厚度与试验设定值基本一致.与纯MoS_2薄膜相比,调制周期为54 nm的薄膜具有较好的法向承载及弹性恢复能力,其硬度最高,达7.15 GPa;法向载荷为5 N时,该薄膜在大气环境(相对湿度约30%)下具有最低的摩擦系数(0.09)和最低的磨损率[1.34×10~(–7) mm~3/(N·m)].     

磁控溅射沉积高承载、低摩擦MoS_2/Ti复合薄膜

采用磁控溅射技术制备了不同Ti含量的Mo S2/Ti复合薄膜,利用SEM、AFM、纳米压痕仪、XRD和CSM摩擦试验机分析了复合薄膜的结构、力学和摩擦学性能.结果表明:复合薄膜结构致密,表面光滑平整,且具有较高的硬度,Ti含量较低的Mo S2/Ti复合薄膜呈现以(002)基面为主的择优取向;在大气环境下,赫兹接触应力为2.5 GPa的摩擦工况下,Ti含量较低的Mo S2/Ti复合薄膜的摩擦系数低至0.02,磨损率低至10-17m3/(N·m)数量级,呈现出高承载、低摩擦、耐磨损的优异摩擦学性能.这是由于Ti的掺杂一方面提高了复合薄膜的力学和抗氧化性能,另一方面复合薄膜的(002)基面取向对其摩擦磨损性能发挥了重要作用.     

MoS2/WS2共溅射复合薄膜的微结构及其摩擦磨损性能研究

采用磁控溅射共溅射法制备MoS2/WS2复合润滑薄膜,利用X射线衍射仪、X射线能谱仪及透射电子显微镜对薄膜的成分和结构进行分析,采用UMT-2MT型微摩擦磨损试验机在大气(相对湿度45%～50%)和室温(20～25 ℃)环境下评价薄膜的摩擦磨损性能.结果表明,MoS2/WS2复合薄膜结构致密,具有较好抗氧化性,其耐磨寿命、摩擦稳定性和抗载荷能力比MoS2磁控溅射薄膜均有显著提高,而摩擦系数更低.     

MoS2-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MoS₂-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 mm³/(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MoS₂ (002)晶面,摩擦发生在MoS₂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/MoS₂-Ti、a-C:H/MoS₂-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.     

非平衡磁控溅射沉积MoS2-Ti 复合薄膜的结构与真空摩擦磨损性能研究

采用非平衡磁控溅射法制备MoS2-Ti复合薄膜,采用SEM、XRD和XRF对薄膜的结构进行表征,在真空球-盘摩擦试验机上评价试验载荷、转速以及基底材料种类对薄膜真空摩擦磨损性能的影响.结果表明:MoS2-Ti复合薄膜表面致密均匀,断面为细柱状结构,呈MoS2(002)基面择优取向,薄膜中Ti含量为8 wt.%,S∶Mo原子比为1.8.在真空度优于5×10-3Pa、室温环境中,当试验载荷从5 N增加至20 N时,薄膜的摩擦系数和耐磨寿命都呈减小趋势,摩擦系数变化符合赫兹接触理论模型;当试验速度从250 r/min提高至1 000 r/min时,薄膜的摩擦系数逐渐减小,耐磨寿命变化量较小;不同基体材料上薄膜的摩擦系数平均值均为0.02,9Cr18、45#钢和40Cr基材上薄膜耐磨寿命区别不大,在20~25 km之间,磨损形式为磨粒磨损,30CrMnSi上薄膜耐磨寿命明显下降,只有10.3 km,磨损形式为黏着磨损,研究结果表明如果基底材料与摩擦对偶间发生黏着磨损,会明显降低其表面沉积薄膜的耐磨寿命.     

钛硅多元掺杂类金刚石薄膜在不同气氛环境下的摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备了钛硅多元掺杂的含氢类金刚石薄膜. 在球-盘摩擦试验机上考察了不同气氛环境对薄膜摩擦学性能的影响. 利用扫描电子显微电镜和拉曼光谱分析了磨损表面形貌和转移层结构, 探讨了薄膜的摩擦磨损机理. 结果表明:薄膜在真空和氮气环境下摩擦系数较小、磨损率低,表现为磨粒磨损;在氧气和高湿度大气环境下摩擦系数较大、磨损率高,表现为黏着磨损;在低湿度空气环境下薄膜摩擦系数最低,表现为磨粒磨损和黏着磨损混合磨损机理;转移层发生摩擦诱导石墨化和聚乙炔链C=C键双氢化两种摩擦化学过程.     

湿度对MoS_2-Au/SiCH复合润滑体系摩擦行为的影响

本文中采用球-盘摩擦试验机重点考察了射频溅射沉积的MoS_2-Au薄膜与SiCH润滑油构成的固体-液体复合润滑体系在潮湿环境中的摩擦行为.结果表明:MoS_2-Au/SiCH复合润滑体系在潮湿环境中表现出了良好的协同润滑效应,其在25℃时50%和70%RH湿度条件下具有较低的摩擦系数和磨损率.拉曼光谱和红外光谱的分析结果证实在摩擦接触区域没有发生摩擦化学反应.为此,我们提出了一个由于水在MoS_2表面吸附而在摩擦接触区域形成MoS_2-H_2O-SiCH结构的模型,用以解释MoS_2-Au/SiCH复合润滑体系在高湿环境中以及在循环湿度条件下的摩擦响应行为.     

偏压及测试环境对新型MoS2-Ti复合膜摩擦学性能的影响

采用新型高功率脉冲复合磁控溅射技术制备MoS2-Ti复合膜,并研究基体偏压和测试环境对复合膜摩擦学性能的影响.结果表明:制备的MoS2-Ti复合膜表面呈现颗粒状结构,Ti在薄膜表层与O反应形成氧化物有效抑制MoS2的氧化.随着基体负偏压从OV增大到-400 V,复合膜的S/Mo原子比逐渐减小.在-300 V偏压下,颗粒堆积最为紧密,薄膜硬度和弹性模量达到最大值,分别为9.7和137.1GPa,并具有最低的平均摩擦系数值(0.04)和磨损率[(10-7mm3/(N·m)].多种测试环境下的摩擦研究显示:在室温大气环境下复合膜的摩擦学性能与其结构的致密性紧密相关,而在N2以及不同湿度环境下薄膜表现出的优异摩擦学性能则归因于在摩擦过程中有效形成的转移膜贡献.     

类石墨烯二硫化钼的制备及其真空摩擦学性能研究

采用电化学剥离法制备了类石墨烯二硫化钼(MoS_2)片层,采用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜表征了类石墨烯二硫化钼的结构.利用真空摩擦试验机测试了含类石墨烯MoS_2添加剂离子液体(IL-MoS_2)的摩擦学性能并与纯离子液体(IL)进行了对比.利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察磨斑处的形貌并用X射线光电子能谱仪表征了IL-MoS_2摩擦前后的化学状态,并对润滑机理进行了分析.结果表明:电化学剥离法成功制备了类石墨烯MoS_2,这种制备方法简单易行,制得的类石墨烯MoS_2面积大,质量好,能保持二硫化钼固有的结构.IL-MoS_2对钢/钢摩擦副具有优异的减摩抗磨作用;摩擦过程中,纳米尺寸的二硫化钼吸附在钢/钢摩擦副界面形成了保护层,避免摩擦副的直接接触,降低摩擦磨损.     

射频非平衡磁控溅射WS_2薄膜的结构及其摩擦学性能研究

采用射频非平衡磁控溅射技术制备了具有不同(002)择优取向程度的WS2薄膜,研究了Ar流量对薄膜成分、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响.研究表明:随Ar流量的增大,WS2薄膜的S/W原子比和(002)衍射峰强度均表现出先降低后升高的变化趋势,而硬度和弹性模量表现出先升高后降低的变化趋势.在大气环境下,WS2薄膜的(002)择优取向程度、S/W原子比以及硬度对薄膜的摩擦学性能均具有显著影响,当S/W原子比较低、(002)择优取向度弱、硬度较高时,薄膜脆性较大,易于发生润滑失效;当S/W原子比、(002)择优取向度和硬度均较高时,薄膜结构致密,且摩擦过程中在对偶表面易于形成有效的转移膜,薄膜表现出较好的减摩、抗黏着特性和优异的抗磨性能.     

a-C：H膜的高真空磨损失效机制研究——应力的影响

采用中频非平衡磁控溅射法沉积了含氢无定形碳(ａ-C:H)薄膜,利用球-盘摩擦试验机考察了不同载荷下薄膜在高真空中(5.0×10^-3 Pa)的摩擦磨损行为,通过对磨损表面的分析以及相关的验证实验,探讨了应力(接触应力、薄膜内应力)对薄膜在高真空中摩擦磨损行为的影响.结果表明:在高真空中,随着载荷的增加,薄膜的摩擦系数逐渐降低,而耐磨寿命却急剧缩短;在高真空高接触应力下,无论是摩擦还是静压,薄膜表面均出现了明显的应力释放花样.因此可以认为,薄膜在高真空中的磨损失效与其在高接触应力下的内应力释放有密切关系.     

反应烧结Ti3SiC2材料的载流摩擦磨损性能

采用HST-100型摩擦磨损试验机,研究了载流条件下法向载荷和电流对Ti3SiC2材料摩擦磨损性能的影响,同时借助JSM-6700F型扫描电子显微镜研究了Ti3SiC2材料的磨损机理.结果表明:当电流为0 A时,Ti3SiC2材料磨损主要以机械磨损为主,随着载荷的增加,摩擦系数逐渐减小,在120 N时达到最小值0.32.在载流条件下,Ti3SiC2材料磨损主要以电弧烧蚀和机械磨损为主,随法向载荷的增加摩擦率逐渐减小,在120 N时磨损率接近于非载流条件下单纯的机械磨损量2.2×10-6mm3/(N.m).在高载荷和不同电流条件下,Ti3SiC2材料均表现出良好的载流摩擦磨损性能.     

MoS2/SiCH固液复合润滑体系摩擦学性能研究

本文中通过考察MoS_2薄膜/SiCH固液复合润滑体系的真空摩擦学性能,探究了该复合润滑体系的摩擦磨损机理.研究表明射频溅射MoS_2薄膜表面所固有的柱状晶体结构具有明显的润滑油吸附功能,提高了MoS_2薄膜/SiCH固液复合润滑体系的真空摩擦学性能.球盘摩擦试验结果表明:当仅对钢盘表面沉积MoS_2薄膜时,该固液复合润滑体系的滑动摩擦寿命达到1.86×106 r,为采用SiCH油润滑时摩擦寿命的1.2倍,是MoS_2薄膜固体润滑状态的4倍,表现出了良好的协同润滑效应.     

不同形态的二硫化钼润滑剂在离子液体中的摩擦学性能

以1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体为基础油,考察了不同形态二硫化钼(Mo S2)微粒的摩擦学性能.低载低速下,空心球形Mo S2(空心球)与片状纳米Mo S2(纳米片)均能改善基础油的减摩抗磨性能,片状微米Mo S2(微米片)不仅不具备减摩性能,还会增加磨损;高载高速下,空心球仍保持着较好的减摩抗磨性能,微米片也表现出一定的减摩抗磨能力,而纳米片易导致润滑失效.纯离子液体润滑时钢球表面出现了一定的疲劳磨损,添加空心球与纳米片后,疲劳磨损消失,磨损量下降.空心球与纳米片润滑时,Mo S2能转移到摩擦表面,少部分仍以Mo S2形式存在,其余Mo S2与基础油及摩擦副材料等发生摩擦化学反应,形成由Mo O3、Mo S2、Fe PO4、Fe SO4、Fe F2及含N与S的有机物组成的复合润滑膜;微米片润滑时,很少Mo S2参与了转移膜的形成,因而对基础油改性效果较差.