MoS2基复合薄膜制备及其结构与摩擦学性能的研究

摘要

随着近年来科技的发展，特别是航空航天技术的快速发展和技术需求，人们对空间固体润滑材料性能的标准不断提高。在解决例如高速、高载、高低温、高真空和空间辐照等严格要求的特殊工况下的润滑问题，作为固体润滑剂的MoS2薄膜，起到了非常显著的作用。MoS2材料自身的层状结构，使得它在真空环境或惰性气氛环境中具有良好的摩擦学性能。但是在大气环境下，特别是在真空/大气交变环境中，薄膜容易发生氧化现象，使摩擦学性能受到很大的影响，从而限制了MoS2薄膜更广范围的应用。因此，改善MoS2薄膜在潮湿环境条件下的摩擦磨损性能具有重要意义。为了提高MoS2薄膜在室温潮湿大气条件下的摩擦磨损性能，本文采用磁控溅射方法制备了不同非金属元素掺杂的Mo-S-C和Mo-S-N二元复合薄膜以及两种非金属共掺的Mo-S-C-N三元复合薄膜，作为比较在相同实验条件下制备了纯MoS2薄膜。采用能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等对薄膜的成分、结构和形貌进行表征，采用纳米压痕仪评价了薄膜的机械性能，利用标准球-盘摩擦磨损试验机、UMT-3多功能摩擦磨损试验机测试薄膜的摩擦系数，并观察薄膜的磨损形貌，评价薄膜在真空和潮湿大气条件下的摩擦磨损性能。
　　本研究主要内容包括：⑴采用射频溅射二硫化钼和石墨靶制备Mo-S-C二元纳米复合薄膜，并分析了C掺杂对薄膜结构、力学性能以及在真空，大气和真空-大气相互交替环境下摩擦学性能的影响。结果表明：随着石墨靶溅射功率的增加，薄膜中MoS2结晶性逐渐减弱，薄膜结构较为致密，硬度显著提高（0.22～2.23 GPa）；石墨靶溅射功率为300 W时薄膜的润滑性能为最优。复合薄膜在低真空下的摩擦系数均稳定在0.04～0.07，而潮湿大气下的摩擦系数在0.05～0.25间变动；同时，转移膜中非润滑相的释放是影响Mo-S-C复合薄膜在不同气氛下摩擦学性能的一个关键因素，另外，真空-大气交变环境下薄膜的摩擦系数受磨合初期形成的转移膜结构及其润滑性能的影响较显著。⑵采用射频磁控溅射法，在氩气与氮气的混合气氛下制备Mo-S-N二元纳米复合薄膜，结果表明：随着氮气流量的增加，复合薄膜中的氮含量从0增加到9.07%，相应的S/Mo比降低到1.20；引入N原子使氮和钼之间形成化学键，并导致薄膜结构呈现非晶结构；随 N2流量增加，Mo-S-N薄膜硬度和弹性模量显著提高，最大值分别12.25和135.12 GPa；相比纯MoS2薄膜，掺少量N元素可显著降低其磨损率。然而，当掺入的N过量时，Mo-S-N薄膜的摩擦系数以及磨损率急剧增加。⑶采用射频磁控溅射法，在氩气和氮气的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MoS2复合薄膜（Mo-S-C-N），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：Mo-S-C-N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，薄膜呈现出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 MoS2薄膜表现出更低的摩擦系数以及良好的高耐磨性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 摩擦、磨损与润滑

1.3 固体润滑

1.4 MoS2薄膜概述

1.5选题依据和研究内容

第2章 MoS2基复合薄膜的制备与表征

2.1 实验材料及设备

2.2 样品制备工艺

2.3 薄膜的表征

2.4 本章小结

第3章 Mo-S-C复合薄膜的制备及其微观结构与摩擦学性能的研究

3.1 引言

3.2 实验内容

3.3实验结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 Mo-S-N复合薄膜的制备及其微观结构与摩擦学性能的研究

4.1 引言

4.2 实验内容

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 Mo-S-C-N复合薄膜的制备及其微观结构与摩擦学性能的研究

5.1 引言

5.2 实验内容

5.3 实验结果与讨论

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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