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<...     

微/纳尺度粘着滑动接触的多尺度分析

采用分子动力学与有限元耦合的多尺度方法,求解二维刚性圆柱表面压头与弹性平面的微/纳尺度粘着滑动接触问题,通过与全分子动力学模拟结果的比较验证了多尺度方法的有效性。对压头半径、滑动速度、下压深度以及是否考虑粘着效应等对滑动接触性能的影响进行了全面研究,通过不同条件下摩擦力及接触力分布的比较,揭示了上述各参数对粘着滑动接触...     

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.     

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%.      

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.      

微重力环境下硅基纳米器件碰撞滑动接触问题研究

随着纳米技术的发展,微机电系统被广泛应用于微纳卫星、皮卫星以及各种高精密仪器. 单晶硅广泛应用于微机电系统,考虑微重力环境空间机构无规则碰撞的运动特性,建立刚性金刚石压头与弹性硅基体之间碰撞滑动接触的分子动力学模型,对比研究压头不同振动频率和振幅对平均摩擦力的影响. 结果表明:压头振动频率低于基体固有频率时,平均摩擦力无明显变化,而高于固有频率时,平均摩擦力随振动频率增大呈现先减小后不变的趋势;振幅的增大导致压头和基体的碰撞更加剧烈,剧烈的碰撞导致基体表面更多原子晶格结构破坏,失效原子数增多,降低了平均摩擦力;在基体表面引入纹理,发现纹理表面能够有效降低平均摩擦力.      

基于LuGre摩擦模型的接触约束法旋转柔性梁斜碰撞研究

基于接触约束法和LuGre摩擦模型对在重力场作用下作大范围旋转运动的柔性梁系统和斜坡发生含摩擦斜碰撞的动力学问题进行研究. 首先运用刚柔耦合的多体系统动力学理论对大范围运动的柔性梁进行离散化和动力学建模, 在碰撞时采用冲量动量法求出跳跃速度, 其次在法向上引入接触约束求解出碰撞力, 在切向上采用LuGre摩擦模型分两种方式求解摩擦力, 第一种是在滑动时摩擦力由摩擦系数和碰撞力计算得出, 黏滞状态下引入切向约束计算拉格朗日乘子反应实际摩擦力, 根据黏滞/滑动切换判断计算出碰撞过程摩擦力(与Coulomb摩擦模型计算摩擦力一致); 第二种根据LuGre摩擦模型摩擦系数和法向碰撞力计算其摩擦力, 从而在碰撞时无需黏滞/滑动切换, 采用相同的摩擦力计算公式. 通过与Coulomb摩擦模型对比发现, LuGre摩擦模型描述碰撞切向摩擦过程更精确, LuGre摩擦模型黏滞时建立约束方程和碰撞采用统一的摩擦力公式这两种建模方式描述的斜碰撞动力学特性没有区别, 进而说明采用法向接触约束和LuGre摩擦模型具有满足碰撞非嵌入情况、避免黏滞/滑动切换、描述摩擦力相对准确的优势.      

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.      

NbSe2/Ag纳米复合材料的制备及其作为煤矿机械机用润滑油添加剂摩擦学行为的研究

采用化学还原法成功制备出NbSe₂/Ag纳米复合材料,即在NbSe₂纳米片表面沉积1层纳米Ag颗粒. 采用UMT-2摩擦磨损试验机以及扫描电子显微镜(SEM)研究了NbSe₂/Ag纳米复合材料添加到煤矿机械机用润滑油中的摩擦学行为. 结果表明:相比于纳米Ag颗粒和NbSe₂,NbSe₂/Ag纳米复合材料添加到润滑油中更加有效地改善了润滑油的润滑承载效果. NbSe₂/Ag纳米复合材料所表现出最优良的摩擦学行为. 原因主要可能在于4个方面:第一,根据理论计算得出NbSe₂、Ag和NbSe₂/Ag纳米复合材料产生滑移的最大抗剪切强度按从小到大顺序排列为NbSe₂/Ag纳米复合材料、Ag、NbSe₂。NbSe₂/Ag纳米复合材料抗剪切强度最小,润滑效果最好;第二,NbSe₂/Ag纳米复合材料中的NbSe₂由于纳米Ag负载相比于纯NbSe₂具有更好的分散性,更利于形成完整均匀的润滑膜;第三,Ag质软润滑且弹性模量小,NbSe₂/Ag纳米复合材料受到摩擦热以及剪切作用形成的润滑膜由于Ag的存在提高了脆性破坏能力,使得润滑膜在摩擦副上硬凸点的刮擦作用下不易破裂;第四,部分纳米Ag球状颗粒可能存在接触界面上有效的滚动,起到“微轴承”的作用从而降低摩擦系数. 然而,润滑油的润滑效果与所添加的NbSe₂/Ag纳米复合材料含量并非呈现正相关关系,而是随着添加含量的增加呈现先降低后增加的趋势,在质量分数为1.5%时,效果最佳.      

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.      

织构化表面NbSe2涂层的真空载流摩擦学行为

针对航天器滑动电接触部件特殊的真空载流服役要求,利用建立的真空载流摩擦试验平台,探索铜基材织构化表面喷涂NbSe₂涂层作为空间新型导电润滑材料的可能性. 研究条状和网状不同织构以及各自在不同织构密度条件下喷涂NbSe₂涂层的真空载流摩擦学性能和影响作用规律;对比现役电镀金涂层,探讨其在真空载流条件下摩擦学和电接触行为优势. 结果表明:网格状较条状织构表面喷涂NbSe₂涂层的载流摩擦学性能更好,而且随织构密度的增加,减摩耐磨性能得到提高. 织构间距为200 μm的网格状织构表面喷涂的NbSe₂涂层展现出最佳的真空载流摩擦学性能. 相较于现役的金电镀层,其在真空载流摩擦条件下展现出更加优异的摩擦学和电接触性能,摩擦系数由0.25降至0.05,接触电压与现役材料处于同一量级,电噪音波动明显改善,由0.09V降至0.04V.      

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.      

原位合成Ag/Ag2MoO4纳米复合润滑剂对YSZ涂层摩擦学性能的影响

通过大气等离子喷涂工艺制备了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)涂层，采用真空浸渍技术和水热合成的方法，将含有反应物离子或分子的前驱体溶液引入YSZ涂层内部固有的微裂纹和孔洞等缺陷中，并在缺陷中原位合成了直径约78~111 nm的Ag/Ag₂MoO₄类球形纳米颗粒，首次制备出了YSZ-Ag/Ag₂MoO₄复合涂层. 摩擦试验结果表明:与YSZ涂层相比，YSZ-Ag/Ag₂MoO₄复合涂层由于在室温和600 ℃下形成了润滑层，抑制了YSZ涂层摩擦表面的脆性断裂和磨粒磨损，从而显著降低了涂层的摩擦系数和磨损率，有效提高了涂层的摩擦学性能.      

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.