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<...     

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.      

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.      

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.      

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.      

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.      

类石墨非晶碳膜与不同硅油构建的固-油协同润滑研究

硅油由于具有良好的化学稳定性、黏温特性和耐高温等性能，在机械设备的润滑方面发挥了重要作用.但是在边界润滑条件下，硅油在常见金属摩擦副界面的摩擦系数较高且造成的磨损较大，润滑效果不理想.利用类石墨非晶碳与硅油构建固-油协同润滑体系，对比研究了氢离子注入改性前后的类石墨非晶碳膜(GLC)与不同基团封端硅油的固-油复合边界润滑条件下的摩擦学性能.结果表明：类石墨碳膜与硅油复合后表现出显著的固-油协同润滑效应，其摩擦系数低至0.02，磨损率低至5.3×10^-8mm³/(N·m).相比于注入改性的GLC膜，未改性GLC膜与含有极性基团封端的硅油复合表现出更低的摩擦系数.这可能主要源于未改性GLC膜的碳原子主要以sp2杂化键存在，其π电子能够与硅油的极性基团产生偶极诱导作用，使油膜在摩擦界面吸附更为稳固.但是，注入改性的GLC膜由于力学性能的改善，其与多数类型的硅油复合后的抗磨损性能总体优于未注入的GLC膜.     

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.      

转移膜的形成对含氢碳膜超低摩擦性能的影响

含氢非晶碳膜在惰性气氛下展现了超低摩擦性能,摩擦系数可达到10~(–3)数量级.本文中通过试验设计验证了转移膜的形成是碳膜超低摩擦性能获得的必要条件.采用含氢非晶碳膜(a-C:H)与钢作为摩擦配副,球盘接触旋转运动,更换接触方式:一种是钢球与镀a-C:H薄膜的钢平板对摩,另一种是镀a-C:H薄膜钢球与钢平板对摩.保持配副材料不变,利用接触方式的差异,来改变转移膜形成的难易程度.第一种方式下,a-C:H可以转移到对偶形成均匀的转移膜,具有超低摩擦性能;在第二种方式下,a-C:H不能转移到对偶形成转移膜,摩擦系数高.而该转移膜是一种含氢的,以sp~2杂化为主的碳结构.氢能够参与钝化碳悬键,从而保证低化学作用活性,sp~2平面分子结构可以具有较低的剪切强度.因此,转移膜的形成和氢的钝化作用对a-C:H薄膜超低摩擦机理均具有重要的贡献.     

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%.      

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.      

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.      

SiCH油/TiN薄膜复合体系的摩擦学性能研究

本文中采用多弧离子镀TiN薄膜对钢基体进行表面改性与SiCH润滑油相结合的方式,研究了SiCH油/TiN薄膜复合体系的真空摩擦学性能,并分析了该复合润滑体系的摩擦磨损机理.研究表明:在SiCH油/TiN薄膜复合体系中,摩擦副对偶双方表面均采用TiN薄膜进行改性后,由于TiN薄膜具有良好的稳定性和耐磨性,与SiCH润滑油构成的复合润滑体系在长寿命摩擦试验中表现出良好的减摩抗磨性能,平均摩擦系数约0.07,在经过1.8×10~6r的摩擦试验后,尽管SiCH油中形成了微量的多甲基基团的硅碳化合物Si-[R-(CH_3)_3]_3并未影响其良好的润滑性能,表明SiCH油/TiN薄膜复合体系耐磨寿命高达1.8×10~6r以上.     

热处理NiAl-Bi2O3涂层的宽温域循环摩擦学行为及高低温润滑相再生机制

采用UMT-3高温摩擦试验机评价了氩气气氛800℃热处理等离子喷涂NiAl-Bi₂O₃涂层在室温至800℃的摩擦磨损性能.通过分析热处理前后涂层及其摩擦表/界面的组成和微结构演变，首次研究了热处理NiAl-Bi₂O₃涂层的高低温润滑相(NiBi、Bi₂O₃和NiO)自适应再生机制及宽温域循环摩擦学行为.结果表明：热处理能使涂层中产生弥散增强的Al₂O₃和具有中低温润滑性的金属间化合物NiBi，提高了涂层室温至800℃的减摩抗磨性能，尤其使涂层在400℃的摩擦系数和磨损率分别从0.39和35.56×10^-5 mm³/(N·m)降至0.28和8.53×10^-5 mm³/(N·m)；在800℃时，接触表面通过摩擦氧化再次产生润滑相(Bi₂O₃、NiO)，并与增强相Al₂     

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.     

固体-油脂复合润滑Ⅰ:二硫化钼膜在干摩擦及空间用油脂润滑下的摩擦学性能

本文采用射频溅射技术制备了MoS2薄膜,用UMT-2MT摩擦试验机考察了MoS2膜/钢球摩擦副分别在干摩擦、氟丙基氯苯基硅油(115#油)和KK-5脂(由115#润滑油经聚四氟乙烯粉稠化制成)润滑条件下的摩擦学性能,并分析了其润滑和失效机制.结果表明:脂润滑状态下,MoS2+KK-5复合膜处于不连续的边界润滑,其摩擦学性能得到改善但不明显;115#油润滑条件下,由于连续、有效的边界润滑,使得MoS2+115#固体-油复合体系的摩擦系数低而平稳,其耐磨损寿命与单独MoS2薄膜相比提高了至少8倍;相对于上述2种情况,干摩擦条件下的MoS2膜磨损明显.     

钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在钛合金TC4表面制备了梯度结构DLC薄膜,并研究了DLC薄膜微观形貌结构、力学性能以及不同对偶球材料(包括4种陶瓷与4种金属材料)对其摩擦学性能的影响. 结果表明:所制备的梯度结构DLC薄膜表面相对光滑平坦且与基底结合紧密,具有良好的力学性能;对于陶瓷球/DLC配副,在摩擦过程中由于对偶球硬度较大且耐磨,从而在陶瓷球表面易于形成稳定的碳质转移膜,SiC/DLC、Si₃N₄/DLC和ZrO₂/DLC表现为轻微的磨粒磨损和黏着磨损,而Al₂O₃球表面的碳元素含量较高使得DLC薄膜虽然发生破损和剥落但其摩擦系数仍保持在较低水平;金属球/DLC与陶瓷/DLC相比较,由于金属对偶球硬度较低,在摩擦过程中碳质转移膜无法稳定地覆盖在金属球,引起较高的摩擦系数,Al/DLC主要表现为严重的磨粒磨损,而Brass/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC主要为轻微的磨粒磨损或黏着磨损;SiC/DLC、ZrO₂/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC的DLC薄膜均具有较低的摩擦系数和磨损率且对偶球的磨斑较小,故其为较合理的摩擦副. 赫兹接触分析表明,陶瓷/DLC中除了ZrO₂/DLC,平均摩擦系数和计算接触半径的变化趋势是一致的,而在金属/DLC中并未发现这一规律.      

WS_2薄膜/空间液体润滑剂复合润滑体系的摩擦学性能研究

采用射频溅射技术制备了WS2薄膜,考察了WS2/全氟聚醚(815Z)和WS2/聚烯烃取代环戊烷(P201)两种固/液复合润滑体系的真空摩擦学性能.通过扫描电子显微镜(SEM)、三维表面轮廓仪对磨损表面的微观形貌进行了分析,采用X射线能量色散谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)分析了磨损表面元素的组成和化学状态.探讨了两种固/液复合润滑体系的摩擦磨损特性和失效机理.结果表明:WS2/815Z复合润滑体系中,二者相容性较差,摩擦系数较高、波动较大,且表现出较高的磨损率;WS2薄膜与P201的相容性较好,组成的复合润滑体系表现出较低且平稳的摩擦系数和较低的磨损率,具有良好的协同效应.     

界面调控对类金刚石碳基薄膜在甲烷气氛下摩擦学性能的影响

在甲烷气氛下，利用不同材质摩擦副与非晶碳(a-C)基薄膜构成不同的自配副与非自配副摩擦体系，构建出不同的滑动界面，通过研究非晶碳(a-C)基薄膜与不同摩擦副对摩时的摩擦学行为，分析探索滑动界面对体系摩擦学行为的作用机理. 结果表明:摩擦副对a-C薄膜的摩擦学行为影响较为明显，主要通过影响滑动界面碳悬键的再杂化形式来引起体系摩擦学行为差异；甲烷解离基团对碳悬键的钝化能够有效降低体系摩擦系数，但过多的钝化形成多聚a-C:H，对体系造成不利影响. 研究结果为烃类下提高DLC薄膜的减磨作用提供参考.