MoS2基復(fù)合薄膜在高-低濕度環(huán)境下的潤滑性研究.pdf

1、隨著近年來科技的發(fā)展，特別是航空航天技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)需求，人們對空間固體潤滑材料性能的標準不斷提高。在解決例如高速、高載、高低溫、高真空和空間輻照等嚴格要求的特殊工況下的潤滑問題，作為固體潤滑劑的MoS2薄膜，起到了非常顯著的作用。MoS2材料自身的層狀結(jié)構(gòu)，使得它在真空環(huán)境或惰性氣氛環(huán)境中具有良好的摩擦學(xué)性能。但是在大氣環(huán)境下，特別是在相對濕度較高的環(huán)境中，薄膜容易發(fā)生氧化現(xiàn)象，使摩擦學(xué)性能受到很大的影響。雖然MoS2薄膜在空間環(huán)

2、境下得到很好的應(yīng)用，但是在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心等一些濕度較高的環(huán)境中，航天器的儲存、運輸和發(fā)射都必須經(jīng)受嚴峻的考驗。因此，改善MoS2薄膜在不同濕度環(huán)境下的摩擦學(xué)性能，特別是高濕度環(huán)境下的摩擦學(xué)性能具有重要的意義。
　　本文在304不銹鋼和（100）硅片基底上，利用非平衡磁控濺射的方法制備了MoS2薄膜與不同含量非金屬元素摻雜的MoS2/a-C和 MoS2/Si復(fù)合薄膜，以及不同含量金屬元素摻雜的MoS2/Pb和MoS2/Ti復(fù)合

3、薄膜。通過對薄膜的化學(xué)組成、表面和截面的結(jié)構(gòu)和形貌、薄膜的硬度和彈性模量等機械性能進行測試，以及在高/低濕度環(huán)境下摩擦磨損性能等方面進行評價，研究摻雜元素的種類和相對含量對薄膜的抗氧化性能和摩擦學(xué)性能的影響，為MoS2基復(fù)合薄膜在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣提供參考。研究結(jié)果表明：
　　(1)與MoS2薄膜相比，非金屬碳元素摻雜的MoS2/a-C復(fù)合薄膜的機械性能顯著提高，薄膜的表面粗糙度減小，致密度顯著增加，薄膜的晶體結(jié)構(gòu)由（002

4、）晶面擇優(yōu)取向轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形態(tài)的非晶結(jié)構(gòu)。同時，在高/低濕度環(huán)境下復(fù)合薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率都顯著降低，且對濕度變化的環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。
　　(2)非金屬元素硅摻雜的MoS2/Si復(fù)合薄膜的機械性能有所提高，薄膜的結(jié)構(gòu)在一定程度上得到改善，比如晶粒尺寸減小，表面粗糙度降低，疏松的柱狀結(jié)構(gòu)變得致密等，但是MoS2/Si復(fù)合薄膜的柱狀結(jié)構(gòu)依舊比較明顯。在高/低濕度環(huán)境下的摩擦系數(shù)曲線平穩(wěn)，但是磨損率反而升高，對濕度變化的環(huán)境適應(yīng)性較

5、差，與復(fù)合薄膜在摩擦?xí)r生成氧化硅和硅膠等硬質(zhì)顆粒加劇薄膜的磨損對摩擦產(chǎn)生影響有關(guān)。
　　(3)金屬元素鉛摻雜的MoS2/Pb復(fù)合薄膜的晶粒尺寸減小，薄膜的表面粗糙度和結(jié)構(gòu)致密度都得到了很好的改善。但 Pb摻雜的復(fù)合薄膜的硬度沒有顯著的提高，但由于薄膜的致密結(jié)構(gòu)以及摩擦過程中生成的具有減摩抗磨作用的PbMoO4使得其摩擦學(xué)性能顯著改善，不僅可以降低薄膜在高/低濕度環(huán)境下的摩擦系數(shù)，穩(wěn)定摩擦過程，而且磨損率也大大降低，但是由于鉛元素本

6、身對人身體健康有害，因此在制備和使用MoS2/Pb復(fù)合薄膜時不得不考慮健康方面的影響。
　　(4)金屬元素鈦摻雜的MoS2/Ti復(fù)合薄膜機械性能有非常顯著的提高作用，同時，復(fù)合薄膜的晶粒尺寸減小，表面光滑平整，截面雖然還存在柱狀結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)比較致密。MoS2/Ti復(fù)合薄膜在摩擦過程中，由于Ti元素優(yōu)先發(fā)生氧化，對薄膜中的MoS2起到保護作用，有利于潤滑，薄膜在高濕度環(huán)境下具有較低的摩擦系數(shù)，但是由于摩擦過程中生成硬度較高的TiO2