MoS2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MoS₂薄膜以及MoS₂-Ti和MoS₂-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MoS₂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;MoS₂-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;MoS₂-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MoS₂ (002)晶面有序化以及高硬度耐高温TiB<...     

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.     

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.      

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.      

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%.      

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.      

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.      

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.      

水基MWCNTs/MoS2复合纳米流体的摩擦学性能研究

使用离子液体[EMIm]BF₄分散多壁碳纳米管(MWCNTs),再以[EMIm]BF₄-阿拉伯树胶(GA)为添加剂分散二硫化钼(MoS₂),二者的水溶液复配得到复合纳米流体. 采用拉曼光谱分析了MWCNTs的改性度,通过吸光度和粒度对复合纳米流体的分散与悬浮稳定性进行了表征. 对不同纳米颗粒配比的复合纳米流体润湿性能和摩擦学性能进行测试,结果表明:MWCNTs和MoS₂质量分数为0.6%、1.2%时复合纳米流体的铺展成膜能力最好,其接触角约为63.04°,相比于去离子水降低了23.55%. 摩擦磨损测试结果也表明此配比下的减摩抗磨性能最佳,平均摩擦系数为0.073,比去离子水降低了61.98%,同时体积磨损率降低了67.87%. 磨痕形貌观测表明,最优配比下磨痕浅,且表面光滑、无犁沟. X射线光电子能谱(XPS)表明MWCNTs和MoS₂共同参与摩擦并在基底成膜,由此协同实现了高效润滑.      

偏压对高功率脉冲磁控溅射法沉积MoN涂层结构及性能的影响

采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)方法在9Cr18钢基材上制备了MoN涂层.系统研究了不同偏压对其结构、力学性能以及摩擦学性能的影响，并优化出耐磨性优异的MoN涂层.采用场发射扫描电镜分析涂层的表面和截面形貌，采用X-射线衍射仪分析涂层的晶相结构，采用纳米压痕仪测量涂层的硬度和弹性模量，采用摩擦磨损试验机(CSM)评价涂层的摩擦磨损性能.结果表明：随着偏压的增加，涂层由柱状晶体结构向致密无特征晶体结构转变，相结构以面心立方Mo₂N相为主. HiPIMS方法制备的MoN涂层均表现出较高的硬度(28 GPa以上)和较好的膜基结合力(60 N左右).摩擦学性能方面，在120 V偏压下沉积得到的涂层摩擦系数最低，为0.24；而在160 V偏压下沉积的涂层磨损率最低，为1.4×10^-8 mm³/(N·m).     

载荷和纳米MoS2添加剂含量对圆形锤头-棒料的摩擦磨损特性及其机理分析

针对精密下料中圆形锤头与棒料之间弧状接触面剧烈的摩擦磨损问题，借助WTM-2E型可控气氛摩擦磨损试验仪，利用GCr15钢块-45钢柱摩擦副在纳米MoS₂添加剂质量分数为0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.7%等七种润滑工况下，重点对不同载荷下摩擦磨损试验进行分析；采用扫描电子显微镜观察了GCr15钢块磨损表面形貌，采用能量色散谱仪(EDS)分析了GCr15钢块磨损表面成分，并探讨了其润滑抗磨及自修复机理. 结果表明:随着载荷增加，摩擦接触应力变大，摩擦系数和磨损量呈上升趋势，磨损表面形态由轻微磨粒磨损转变为黏着磨损. 同时加入的MoS₂添加剂的质量分数并非越高越好，摩擦系数和磨损量随MoS₂添加剂质量分数的升高呈现先减小后增大趋势，且MoS₂添加剂质量分数在0.1%~0.3%范围内时减摩抗磨效果较好. 通过对比不同润滑条件下摩擦副因摩擦磨损而产生的噪声、振动速度和温升，进一步定量确定出纳米MoS₂添加剂质量分数为0.1%时，可以最大程度地降低摩擦副的损耗.      

横向交变载荷下TiCN/MoS2涂层螺栓的防松性能研究

基于自主设计的螺栓连接振动试验装置，系统研究了横向交变载荷下TiCN/MoS₂涂层螺栓分别与TiCN/MoS₂涂层螺母和无涂层螺母配合时连接结构的松动行为，并利用体式显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)和白光干涉仪等微观分析设备对试验后的螺纹表面进行损伤分析，深入讨论其磨损机理. 结果表明:在相同试验条件下，TiCN/MoS₂涂层螺栓比无涂层螺栓螺纹表面的损伤轻微，连接结构的松动程度更低；与无涂层螺栓螺纹根部相同等效应力状态下，TiCN/MoS₂涂层螺栓连接结构的预紧力可提高约10%，螺纹表面的损伤减轻，同时连接结构的松动程度进一步降低；TiCN/MoS₂涂层螺栓螺纹表面的主要磨损机制为疲劳磨损.      

含氢无定型碳摩擦转移膜结构演化规律研究

利用中频磁控溅射系统制备a-C:H润滑薄膜,并使用球-盘摩擦机考察了空气和干燥氮气(N₂)氛围中a-C:H薄膜摩擦行为的差异,讨论了随着摩擦时间增加,薄膜上磨痕及Al₂O₃对偶球上转移膜的结构变化对摩擦行为的影响. 试验结果显示:a-C:H薄膜在干燥氮气中摩擦具有比在空气中更低的摩擦系数和更长的磨损寿命. 微观结构分析表明,转移膜可以起到降低摩擦的作用,在干燥氮气中,随着摩擦进行,Al₂O₃对偶球上逐渐形成具有典型DLC特征的碳转移膜并稳定地存在,这是摩擦性能进一步提高的原因. 此外,在干燥氮气中摩擦,磨痕表面和对偶球上转移膜表面结构均趋于“石墨化”. 上述二者的共同作用使得a-C:H薄膜在N₂环境下比在空气中更低的摩擦磨损.      

不同固体润滑下人字闸门底枢摩擦特性的销盘试验研究

人字闸门底枢长期在水下的低速重载下运行,易出现由磨损导致的故障,为此,三峡五级船闸的闸门已采用油脂和固体润滑剂混合润滑方式以减少摩擦磨损. 为了研究石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯固体粉末对底枢摩擦副材料(45钢和锡青铜)摩擦学性能的影响,以三峡人字闸门底枢为研究对象,依据计算结果设计销/盘配对副面结构,在MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机上开展磨损试验研究,并结合表面三维形貌测试和铁谱测试对摩擦磨损结果进行分析,结果表明:在试验条件下,聚四氟乙烯的摩擦系数最小,石墨次之,二硫化钼的摩擦系数最大;磨损量从小到大依次为石墨、聚四氟乙烯和二硫化钼;石墨润滑条件下磨损形式仅为单一的黏着磨损,二硫化钼和聚四氟乙烯润滑条件下磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损,且石墨润滑产生的磨粒粒径要小于二硫化钼和聚四氟乙烯润滑产生的磨粒粒径,综上认为石墨是三者中性质较优的固体润滑剂. 在此基础上开展了石墨润滑下的13 h连续磨损试验,得到其摩擦系数和磨损量的变化规律,为人字闸门底枢摩擦副的固体润滑设计提供理论依据.