MoS2基复合润滑薄膜制备研究

MoS2基复合润滑薄膜制备研究

摘要: 用磁控溅射的方法在不锈钢基体上制备了MoS2/Ni薄膜并通过添加DLC中间层研究了中间层对于MoS2/Ni薄膜的影响,初步探讨了复合润滑薄

膜的减摩机理。EDS与XRD试验结果显了MoS2复合薄膜中的主要成份以及主

要晶面为平行于基面的晶面（002），摩擦系数检测结果表明复合薄膜的摩擦

系数在0.06～0.18之间，复合薄膜在高速重载的环境下有更低的摩擦系数和更

高的摩擦稳定性；而且硬质中间层的加入进一步降低了薄膜的摩擦系数达到

0.04左右。

关键词: 复合润滑薄膜磁控溅射类金刚石薄膜摩擦系数

1 概述

MoS2基复合润滑薄膜是指以MoS2为主体添加少量软金属或其合金、稀土等的复合材料为靶材，在高真空中溅射沉积到指定基体上而形成的具有自润滑性能的薄膜[1]。

MoS2是一种传统的固体自润滑材料，由于其很低的摩擦系数与金属良好的结合能力以及真空、重载条件下的优异性能，长期以来一直受到人们的重视，并且已经广泛应用在航空航天等各项领域。然而由于MoS2在400℃左右开始慢慢氧化，在潮湿环境中迅速失效等缺陷一定程度上限制了在一些特殊条件如高温，潮湿等条件下的应用[2]。近几年来已经有不少学者研究通过在MoS2中加入Au, Ti，Ta, Cr等金属元素或陶瓷材料TiN或TiB2制备MoS2基复合薄膜来增强MoS2的抗湿抗氧化性能[3～6]。

本文就是研究在MoS2中添加Ni用磁控溅射的方法制备MoS2/Ni复合薄膜并且通过增加DLC中间层研究其对于薄膜性能的影响，并且初步探讨了MoS2复合润滑薄膜的减摩机理。

2 实验过程

2.1 靶材的制备

首先将纯度为99%的Ni粉与MoS2粉末充分混合以后进行球磨。球磨采用氧化铝磨球，磨球直径分别为5、7、10mm，数量比为4:3:3，球料比是10:1。用湿磨的方法，选用无水乙醇作为球磨介质，球磨转速为60r/min，时间为30h，将所得混合粉末在100℃，24h条件下进行烘干。然后使用WE-100型液压式万能试验机，在63.7MPa的压力下用专用模具压制成Ф78mm×5mm圆盘，保压时间10min。最后在RJS型真空烧结炉中烧结，烧结温度为600℃，时间为1h。

复合薄膜的制备

2.2 MoS

2

薄膜制备所采用的设备为PSII型双放电腔微波ECR等离子体全方位注入装置。基片采用不锈钢材料，将基片抛光放入溅射室中进行100W，20min反溅清洗后制备了MoS2/Ni复合薄膜并添加了DLC中间层。薄膜制备的工艺参数：本地真空度为7.0×10-4Pa，工作气压为

0.1～0.8 Pa，氩气流量为80～100sccm,溅射功率为100W～190W，溅射时间为2小时。

3 实验结果与分析

3.1 薄膜成分与结构分析

用JXA－840A型能谱仪对薄膜的成分进行了分析，结果如图1所示：

图1 复合薄膜成分分析图2 薄膜XRD分析

从图1中可以看出复合薄膜中除了Mo、S、Ni以外还含有少量的O元素。O的少量存在则可能是两个因素：一是靶材制备过程当中少量MoS2被氧化所致；二是溅射过程中真空室极少量的水蒸气被激发。

在证明了薄膜中Mo、S、Ni元素的存在后，接着就对薄膜的结构和物相进行了分析,所使用的设备是D/max2500VB型X射线衍射仪。图2即为薄膜的XRD分析，从图中可以看出复合膜中的MoS2的主要晶面为(002)晶面，同时也存在少量的(100)和(110)等棱面。由于MoS2的层状结构特殊，棱面的活性远高于基面[7]，所以棱边上的Mo容易被氧化生成MoS3导致润滑性能急剧下降。复合膜中MoS2晶粒的(002)晶面平行于衬底择优取向，晶粒的这种取向生长，将有利于减少棱边上的Mo暴露于大气中的几率，从而提高了膜层的稳定性。

3.2 薄膜的摩擦系数测定

本实验摩擦系数测定采用的是美国CETR公司研制的UMT-3多功能摩擦试验机，能精确测定薄膜的摩擦系数。首先为了考查MoS2/Ni复合膜在不同载荷下的摩擦性能的变化，对复合膜在不同载荷下进行了摩擦测试，实验转速为400r/min，载荷为100g-800g，对磨件是直径为3mm的不锈钢小球，旋转半径为20mm,时间为3min,其摩擦系数曲线如图3所示。随后继续考查MoS2/Ni复合膜在不同转速下的摩擦性能的变化，对复合膜在不同转速下进行了摩擦测试，实验载荷为700g，转速为100r/min-1000r/min，对磨材料与旋转半径不变，其摩擦系数曲线如图4所示。

图3复合薄膜在不同载荷下的摩擦系数曲线

图4复合薄膜在不同转速下的摩擦系数曲线

从图3中可以看出，随着载荷的增大，薄膜的摩擦系数从0.187逐渐减小，最后趋于稳定在0.052，而且摩擦系数曲线的稳定性也逐渐提高，波动随载荷增大而减小，与此可见MoS2/Ni 复合膜在相对高载的工作环境下有更优越的性能。

图4说明随着转速的增大，薄膜的摩擦系数从0.132逐渐减小，最后趋于稳定在0.051，而且摩擦系数曲线的稳定性也逐渐提高，波动随转速增大而减小。而且随着转速的逐渐增加，摩擦系数曲线的稳定性也逐渐增强，波动逐渐变小，所以可以得出MoS2/Ni复合膜在相对高转速的工作环境下可以发挥更优越的性能。

为了进一步提高MoS2/Ni复合膜的润滑性能，采用了添加较硬的薄膜作为中间层的办法。在基体上先沉积了一层DLC硬膜作为中间层，然后再在上面沉积MoS2/Ni复合膜，其摩擦性能测试如图5所示。。

图5 不同基体上复合薄膜摩擦系数曲线

图5中显示了在加入了DLC中间层之后，薄膜的摩擦系数进一步降低，稳定性也相应得到了提高。

3.3 薄膜润滑机理探讨

从摩擦产生的原因来看，根据目前大多数人认可的粘附理论：摩擦力之所以与负荷成正比是因为摩擦力是与真实接触面成正比，而真实接触面又与负荷成正比，最后表现为摩擦力与负荷成正比的关系[8]，公式如下：

摩擦力F=Aτ=W/σs·τ

摩擦系数ƒ＝τ0/σs式（1）式（1）中：W为载荷；τ0为材料的抗剪切强度；σs为金属的屈服强度

根据摩擦系数ƒ＝τ0/σs的原理，可以在硬质薄膜上面覆盖一层软膜来降低摩擦系数。因为硬质薄膜敷上软薄膜后，承载负荷的能力仍决定于硬质薄膜，亦即硬质薄膜的屈服强度，而剪切是则发生在软薄膜层，取决于软膜的抗剪强度，这时摩擦系数就为：

ƒ＝τ0（软）/σs（硬）式（2）于是根据式（2）在覆盖的相同MoS2/Ni复合膜的前提下，中间层的加入使得“基体”的屈服强度得到了提高，降低了摩擦系数。此外，在摩擦的过程中，中间层加入后硬质薄膜提高了“基体”抗塑性变形的能力，因此摩擦对磨件压入变形比较小，真实接触面积也就变小，于是相对来说就减少了黏附及犁沟形变从而进一步提高了减摩效果。

所以可以得出，在使用较硬的薄膜作为中间层后，再沉积MoS2/Ni复合膜，可以进一步提高其减摩性能。

4 结论

（1） X射线衍射试验证明了复合膜中的MoS2的主要晶面为平行于基面的(002)晶面，同时也存在少量的(100)和(110）等棱面。

（2）复合薄膜在更高的载荷和更快的转速下具有更低的摩擦系数和更好的稳定性。

（3）硬质薄膜中间层的加入能进一步有效地降低复合薄膜的摩擦系数。

参考文献

[1]王桂平,李宁刚.MoS2固体润滑薄膜的空间应用概述[J].红外.2005(10)：34

[2]M. Steinmann, H. Meerkamm.Anew type of tribological coating for machine elements based on

carbon, molybdenum disulphide and titanium diboride[J].Tribology International.2004,37:879

[3]单继宏,宁桂玲,林源.MoS2的润滑应用及新的合成技术[J].化工科技.2002,10(3):44

[4]Xiaodong Zhu,uwerens, P. Cosemans, et al.Different tribological behavior of MoS coatings

under fretting and pin-on-disk conditions[J]. Surface and Coatings Technology.2003,163:423 [5]V.Bellido-Gonzaleza,J. Hampshirea et al.Tribological behaviour of high performance MoS2

coatings produced by magnetron sputtering[J].Surface and Coatings Technology.1997,97:688

[6]李永良. MoS2/Ti复合膜的摩擦磨损研究[J].真空科学与技术学报.2005,25（5）：379

[7]石淼森.固体润滑技术[M].北京:中国石化出版社,1998.27

[8]董浚修.润滑原理以及润滑油[M].第二版,北京:中国石化出版社, 1998.7