磁控溅射下WS2/MoS2/C复合薄膜的磨损性能研究
发布时间：2024-09-09
1、MoS2和WS固体润滑剂的应用和改进
作为固体润滑剂，MoS和WS（晶体结构如图1）以其摩擦系数低和承载能力强等特点，被广泛应用于制造轴承、陀螺、齿轮零部件等超高真空领域。但是，由于MoS2和WS2在大气中容易氧化失效，使其在大气中的应用受到了限制。研究表明，与金属共溅射制备复合薄膜可显著改善其在大气条件下的摩擦磨损性能。Ag-WS2共溅射制备的非晶态复合薄膜，由于Ag弥散分布于WS2薄膜中，增强了薄膜的致密性，使薄膜在大气中尤其在潮湿空气中抗磨损性能有了很大提高。MoS2-Ti共溅射薄膜，提高了薄膜的硬度，对磨屑的产生起到了抑制作用，并且有利于转移膜形成，提高了薄膜耐磨寿命。最近，尹桂林等制备了WSx（其中x=1.6）复合薄膜，使得复合薄膜结构更加致密，具有较好抗氧化性，同时使得基面层间间距增加，因而摩擦系数降低。T.Polcar等开展了MoS2/C和WS2/C复合薄膜的研究，WS2/C复合薄膜在100℃的温度条件下最低摩擦系数达到0.02，扩展了其在高温条件下的应用范围。
为了提高MoS2和WS2固体润滑薄膜在大气条件下尤其是在潮湿大气条件下的使用寿命，增强抗磨损能力，本文选用固体润滑剂复合靶，采用磁控溅射法，通过乙炔气体的反应溅射，制备出MoS2/WS2/C复合薄膜，在室温潮湿大气条件下研究复合薄膜的抗磨损性能，并对磨痕进行了研究。结果表明，通过反应溅射制备的复合薄膜具有非常优异的抗磨损性能，具备良好的环境适应性，从而拓展了其在各个工业领域中的应用。
2、实验材料与试验方法
2.1 样品制备
复合薄膜以Φ50mm、纯度99.99％的WS2（质量比3:2）复合靶材，采用射频溅射制备。
将用于摩擦性能测试的Φ30mm不锈钢基片和用于成分和结构分析的单晶硅片经丙酮和无水酒精超声波清洗并烘干，装入真空室内。真空室的本底真空控制在3X10-4Pa数量级。采用氩气和乙炔气体为工作气体，通过调整溅射气氛中的乙炔含量来制备不同含碳量的复合薄膜，溅射气压为0.3Pa，溅射功率为150W，薄膜厚度约1um左右。不同溅射气氛下制备的不同碳含量的样品见表1所示。作为比较，在相同条件下制备厚1um左右的纯MoS2薄膜。为了提高基底与薄膜间的结合力，镀膜前在基底上预沉积一层厚约50nm的金属Ti过渡层。
2.2 试验方法
采用X射线衍射仪（Cu靶）分析薄膜的相组成；在MFT-4000材料表面性能试验仪上对WS2/MoS2/C复合薄膜的摩擦磨损性能进行评价，摩擦副为硬度60HRC的钢球，直径3mm。试验条件为：试验载荷为20N，摩擦方式为往复摩擦，摩擦长度10mm，摩擦频率50Hz，试验时间30min，干摩擦（无油润滑）状态，在室温空气（相对湿度为60％）下进行。使用真彩色高分辨率的共聚焦显微镜观察WS2/MoS2/C复合薄膜磨损表面划痕形貌。
3、结果与讨论
3.1 薄膜的结构
薄膜的XRD图谱如图2所示，可以看到，在2、4以及纯MoS2薄膜样品的XRD图谱中都有强烈的（100）衍射峰，未发现（002）晶面的衍射峰，表明薄膜中（100）晶面与薄膜表面平行，而（002）晶面与薄膜表面垂直，称这类薄膜为第一类（TypeI）薄膜。而在样品5的XRD图谱中，出现（002）衍射峰，未发现衍射峰，说明复合薄膜的（002）晶面与薄膜表面平行，而（100）晶面与表面垂直，称这类薄膜为第二类（TypeII）薄膜。一般认为，薄膜的（002）基面取向对于薄膜的摩擦磨损性能至关重要。第二类薄膜（002）的滑移面平行于表面，更有利于摩擦，因此第二类薄膜摩擦性能比第一类（TypeI）薄膜优良。同时，由于第一类（TypeI）薄膜呈柱状结构，组织较疏松且（100）活性表面与环境接触较多而容易氧化，第二类（TypeII）薄膜的结构较致密且主要是饱和（002）面与大气接触，因而具有较强的抗氧化性。值得注意的是，在各XRD图谱中，并未发现C物质的特征峰，说明在复合薄膜中，C元素主要以非晶态形式存在。
3.2 薄膜的耐磨损性能
观察摩擦测试以后的薄膜磨损表面磨痕形貌（如图3）发现，在20N载荷下进行30min的往复摩擦测试后，纯MoS2薄膜已经完全磨穿，薄膜已从基底完全脱落。WS2/MoS2复合薄膜也发现磨屑脱落现象，薄膜磨穿，但薄膜未完全脱落，仍有部分薄膜与基体相结合。而具有不同C含量的WS2/MoS2/C复合薄膜中，只有含C量较少的1号样品出现少许磨屑脱落，其余样品磨痕均保持完整无损，未发现磨屑脱落现象。尤其是含碳量为15.91％的5号样品，从彩色的磨痕表面照片可以看出，其磨痕及磨痕边缘部分形态保持一致，说明在经过30min的摩擦过后薄膜仍旧保持了完好的表面形态。可见WS2/MoS2/C复合薄膜在潮湿条件下的耐磨性能明显优于纯MoS2薄膜，这与复合薄膜的结构有关。WS2/MoS2/C复合薄膜属第二类（TypeII）薄膜，其滑移面（002）晶面与薄膜表面平行，有利于摩擦，降低磨损，在摩擦过程中，主要是饱和面与大气接触，因而具有较强的抗氧化性。同时，以非晶态形式存在于薄膜中的C元素使得薄膜结构更加致密，抗磨损能力增强。
使用真彩色高分辨率的共聚焦显微镜的立体成像功能，对被磨穿的纯MoS2薄膜磨痕情况进行立体分析，如图4，由磨痕处测得该薄膜厚度1.214um。
4、结论
选用固体润滑剂MoS2/WS2复合靶，采用磁控溅射法，通过在溅射气氛中添加乙炔气体可制备出性能优良的MoS2/WS2/C固体润滑复合薄膜，尤其是含碳量为15.91％的5号样品，在经过30min的摩擦过后薄膜仍旧保持了完好的表面形态。C元素的加入使得薄膜性质大为改善，在潮湿大气中，MoS2/WS2/C复合薄膜具有优异的耐磨性能，从而大大拓展了其在各个工业领域中的应用。
作者：周磊、尹桂林、王玉东、余震、何丹农
作者：周磊、尹桂林、王玉东、余震、何丹农
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