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.     

水浴对MoS2薄膜结构及摩擦学性能影响的研究

为考察水介质对二硫化钼(MoS₂)薄膜结构和摩擦学性能的影响,采用沸腾蒸馏水对溅射MoS₂薄膜进行水浴处理,并对水浴处理前后薄膜的微观结构、摩擦学性能进行了研究. 研究发现,薄膜中同时存在晶体结构和非晶结构. 随着水浴处理时间的延长,XRD分析结果中观察到薄膜中非晶相减少,微晶相增加,同时晶粒尺寸先减小后增大. 另外,薄膜的枝状晶上产生了更多的细小枝状晶. 薄膜中的残余应力也随水浴时间延长而发生明显变化. 薄膜的摩擦学性能受到水浴的明显影响,当水浴处理时间为20 min时,MoS₂薄膜的耐磨寿命达到未水浴处理薄膜的约2倍. 分析认为,水浴处理导致溅射MoS₂薄膜内应力、组织结构和晶体结构的变化,引起了其摩擦学性能的变化.      

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.     

磁控溅射沉积抗氧化、长寿命二硫化钼基复合薄膜

采用磁控溅射技术制备了MoS_2,Ti/MoS_2,Pb/MoS_2和Pb-Ti/MoS_2复合薄膜.通过AFM,SEM和XRD对薄膜的形貌和结构进行分析;利用纳米压痕仪,CSM摩擦试验机和Bainano高真空摩擦试验机分析薄膜的力学和摩擦学性能,并探讨了Pb、Ti掺杂对薄膜的结构,力学和摩擦学性质的影响.结果表明:Pb-Ti/MoS_2复合薄膜具有非常致密的结构,表面光滑平整,且具有较高的硬度;Pb、Ti共掺杂显著提高MoS_2薄膜在RH75%高湿度环境下和真空环境下的摩擦学性能,在潮湿大气和真空环境下磨损率分别为未掺杂MoS_2的13%和25%,且低于单一掺杂MoS_2薄膜.PbTi/MoS_2复合薄膜优异的摩擦学性能得益于Pb掺杂元素增加薄膜结构的致密度和Ti掺杂元素提高薄膜的抗氧化和力学性能.     

磁控溅射NbSe2和MoS2薄膜不同湿度下的摩擦学行为

针对MoS₂在潮湿环境易氧化和润滑失效的问题,从增强离子键强度的角度探索改善其抗氧化以及润滑湿度适应性. 选择了离子键更强的NbSe₂进行对比,采用磁控溅射法分别制备了NbSe₂和MoS₂薄膜,研究了两种薄膜在不同湿度下的摩擦学性能,对比其在摩擦稳定阶段的结构和化学组成,探讨了NbSe₂在大气高湿度环境下的优势与作用机理. 结果表明:NbSe₂薄膜在大气环境下的摩擦表现出更佳的湿度适应性,在20% RH、35% RH和55% RH下摩擦系数稳定在0.08左右,直到75% RH下摩擦系数才开始增大,而MoS₂薄膜在35% RH下面临润滑性能快速失效的问题,进一步结合XPS和XRD等表征结果发现:相较于MoS₂,NbSe₂在大气摩擦条件下更难氧化,其层层滑移状态能较好维持,能保持长时间的润滑性能,这为大气高湿度服役润滑材料的改进提供了新的思路.      

原子氧对非平衡磁控溅射MoS2-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MoS₂-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6.0×1022 atoms/cm2. 原子氧造成薄膜表面出现“绒毯”状形貌,表层的MoS₂和内部的低价钛氧化物分别被氧化成硬质的MoO₃和TiO₂,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 m3/(N·m)升高至0.03 和5.5×10?17 m3/(N·m),磨损机制也发生了由黏着磨损向磨粒磨损的转变.      

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.     

颤振环境MoS2/Ag薄膜碰撞滑动接触摩擦性能研究

基于空间机构的运动特性,考虑空间颤振环境的影响,采用粗粒化分子动力学研究MoS₂/Ag薄膜的碰撞滑动接触摩擦性能,建立颤振环境碰撞滑动接触摩擦的粗粒化分子动力学模型,对比了纯Ag和MoS₂/Ag薄膜的摩擦性能,研究了初始碰撞速度、滑动速度以及空间温度对碰撞滑动接触摩擦过程的影响.结果表明：与纯Ag相比,MoS₂/Ag薄膜表现出更优异的摩擦性能;压头碰撞速度对动能有一定的贡献,初始碰撞速度的增加会增大压头压入基体的深度,使得平均摩擦力增大;滑动速度的增加会加剧原子间的相互剪切摩擦,使平均摩擦力增加;MoS₂/Ag薄膜在100～500 K温度范围内表现出良好的摩擦性能,当空间温度为600 K时,其摩擦性能降低,并伴随着MoS₂膜的破裂.     

石墨烯/二硫化钼复合纳米添加剂的制备及摩擦学性能研究

采用水热法制备了两种不同形貌结构的石墨烯/二硫化钼纳米复合物(RGO/MoS₂-1和RGO/MoS₂-2). 通过电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射仪和热重分析仪对所制备材料的形貌、成分和晶格结构进行表征;利用SRV-IV微动摩擦磨损试验机考察了RGO/MoS₂-1和RGO/MoS₂-2作为PAO-4添加剂的摩擦学性能. 结果显示具有花状结构的RGO/MoS₂-2与RGO/MoS₂-1相比具有更大的层间距,且因其较大的层间距使得RGO/MoS₂-2表现出较好的摩擦学性能. Raman和XPS对润滑机理的表征结果证实了RGO/MoS₂复合纳米添加剂优异的摩擦学性能归因于吸附和摩擦化学反应的协同作用.      

二硫化钼/硫化锌纳米粉体的制备及其改性聚酰亚胺复合材料的摩擦学性能研究

采用一步水热法设计制备了二硫化钼/硫化锌(MoS₂/ZnS)纳米杂化体,并利用热压成型技术得到聚酰亚胺/二硫化钼/硫化锌(PI/MoS₂/ZnS)复合材料. 采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪以及光电子能谱仪对所制备材料的形貌和化学组成进行表征,结果表明MoS₂纳米薄片均匀致密地包覆在ZnS纳米颗粒表面. 热重分析和差示扫描量热曲线结果表明,MoS₂/ZnS纳米杂化体的引入显著地提升了PI基体的热稳定性能. 摩擦磨损测试结果表明,三种填料(MoS₂,ZnS和MoS₂/ZnS)均能有效改善PI基体的摩擦学性能,其中MoS₂/ZnS纳米杂化体的增强效应最为显著,这主要归因于MoS₂纳米片和ZnS纳米粒子之间的协同增强效应. 当MoS₂/ZnS纳米杂化体的质量分数为1.5%时, PI/MoS₂/ZnS复合材料的摩擦学性能达到最优,相较于纯的PI,复合材料的摩擦系数和磨损率分别下降了15. 9%和34. 3%.      

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.     

直流复合高功率脉冲磁控溅射VAlN-Ag涂层的宽温域摩擦特性研究

通过直流磁控溅射(DCMS)复合高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术制备了VAlN/VAlN-Ag复合涂层,调控HiPIMS靶功率控制Ag质量分数变化范围(11.4%、19.8%、24.5%),探究了涂层在25、300和650℃温度下的摩擦学性能.在室温摩擦条件下,3种涂层的摩擦系数均较高,当温度升高至300和650℃时,摩擦系数随Ag含量增加而降低,高Ag含量(质量分数24.5%)涂层摩擦系数最低,分别为0.45和0.23.磨损率随温度升高而增加,宽温域环境中,低Ag含量的S1 (Ag质量分数为11.4%)涂层具有最优的力学性能和最低的磨损率,使复合涂层在宽温域内表现出良好的摩擦学性能.复合涂层的物相结构、元素价态和化学键在中低温摩擦环境中无明显变化;经650℃摩擦试验后,涂层表面发生摩擦化学反应,V和Ag元素的价态升高,生成层状结构的AgVO₃和Ag₃VO₄高温润滑相,有效降低涂层的摩擦系数.高温摩擦过程中伴随着元素扩散,涂层内部微结构演变成致密的Al₂O₃层包裹钒酸银润...     

高承载高耐磨Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层制备及摩擦学行为

采用超音速火焰喷涂(HVOF)和等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)技术制备Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层,对比研究其与单层DLC薄膜的微观结构、机械性能和不同载荷下的摩擦磨损行为.结果表明：Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层的结合力、承载力和摩擦学性能比单层DLC薄膜显著提高;HVOF制备的Cr₃C₂-NiCr中间承载层对表层DLC薄膜的微观结构和纳米硬度影响不大;Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层在高载下的优异摩擦学性能归因于避免了高接触应力下发生塑性变形而导致DLC薄膜在摩擦磨损过程中的脆性断裂和剥落失效行为.此外,在不同载荷下的摩擦过程中DLC薄膜和Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层均未发生石墨化,其摩擦学行为主要取决于不同接触应力下的磨损机制变化和对偶球表面摩擦转移膜演化.     

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/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/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.     

油溶性有机钼添加剂作用下微弧氧化改性TC4钛合金的摩擦学性能

借助微弧氧化技术在TC4钛合金表面构筑了高硬度氧化物薄膜,利用X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM)及拉曼光谱等手段对膜层结构进行了分析,考察了二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)作为聚α烯烃PAO6润滑添加剂对微弧氧化薄膜的摩擦学性能的影响. 结果表明:经过微弧氧化处理后得到的钛合金试样展现了优异的减摩抗磨性能,与未处理的TC4样品相比,在含质量分数为2% MoDTC的PAO6油润滑下,摩擦系数降低了87.4%,磨损率下降了3个数量级. 这主要是因为经微弧氧化处理后,TC4钛合金表面形成的TiO₂薄膜具有较高硬度与耐磨性,同时促进了MoDTC添加剂在边界润滑条件下的摩擦化学反应,在接触区表面生成含有MoS₂的润滑层.      

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.     

添加TiN对MoS2基复合薄膜结构和性能的影响

通过磁控反应溅射方法制备MoSx-TiN复合薄膜,研究添加少量TiN对MoS2基薄膜结构和性能的影响。薄膜的结构和性能通过X射线光电子能谱仪（XPS）、X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）及UMT-2多功能微摩擦磨损试验机等进行了表征。结果表明：与纯MoS2薄膜相比,少量TiN的添加使得MoSx-TiN复合薄膜（002）晶面择优取向且结构致密。与纯MoS2和MoS2-Ti薄膜相比,MoSx-TiN复合薄膜在潮湿大气条件下具有更优异的摩擦磨损性能,更低的摩擦系数。     

磁控溅射Al靶功率对类金刚石薄膜的结构和摩擦学性能影响

本文采用中频磁控溅射金属Al靶,以CH4为反应气体,通过调整Al靶溅射功率,在p(100)单晶硅片和不锈钢基底上成功制备出不同Al含量的Al/a-C:H纳米复合薄膜。并利用HR-TEM、XPS、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等手段分析和研究了Al/a-C:H薄膜的结构、机械及摩擦学性能。结果表明：金属Al以纳米晶颗粒形式镶嵌在非晶碳网络中,使得所制备Al/a-C:H薄膜呈现出典型的纳米晶/非晶复合结构;同时,Al掺杂促进薄膜中sp2杂化碳形成,且有效地释放残余内应力。Al靶溅射功率为800 W时所制备的Al/a-C:H薄膜具有结构致密、内应力低、硬度高的特性;在大气环境中,该薄膜与Si3N4陶瓷球干摩擦时显示出优越的摩擦学性能,其摩擦系数约为0.055,磨损率约为2.9×10-16 m3/(N?m)。