| 题名 | 二硫化钼基复合薄膜在潮湿环境中的摩擦磨损机制及其改性 |
| 作者 | 赵晓宇 |
| 答辩日期 | 2018-05-23 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 薛群基 ; 张广安 |
| 关键词 | 二硫化钼 掺杂 多层 湿度环境 摩擦磨损 Molybdenum disulfide Doping Multilayer Humid environment Friction and wear |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 其他题名 | 无 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 英文摘要 | 二硫化钼（MoS2）是一种优良的固体润滑材料，在航空航天领域有着广泛的应用。在潮湿环境中MoS2的摩擦学性能会发生严重退化，摩擦系数大幅上升，磨损寿命大大降低。航天器可回收的发展趋势需要润滑材料在大气和真空两种环境下服役，这对其提出了严峻的挑战。因此，研究MoS2和H2O之间的相互作用，改进MoS2在潮湿环境下的摩擦学性能非常重要。本论文通过对MoS2在不同气氛、不同湿度下的摩擦学行为的研究，探讨了MoS2与H2O在摩擦过程中的相互作用机制，结果表明H2O在MoS2表面的羟基化和多层吸附机制是其性能退化的主要原因。因此，本论文通过活性金属元素的捕获效应、非金属元素的钝化效应以及多层结构减缓水分子在薄膜内部的渗透等方式减弱MoS2与H2O的相互作用。采用磁控溅射技术制备了MoS2-Pb-Ti和MoS2-C掺杂复合薄膜，DLC/MoS2和MoS2/Pb-Ti多层薄膜，考察了掺杂和多层结构MoS2基薄膜的结构、力学性质以及在真空和大气环境下的摩擦学性能，主要结论如下： 1.为了探索MoS2与H2O的相互作用机制，考察了MoS2在N2、O2和空气三种气氛、不同湿度下的摩擦学性能，研究发现MoS2薄膜的摩擦系数随着湿度的增加而增加，磨损率在10%到50%RH范围内随着湿度的增加而增加，但是进一步增加湿度反而会导致磨损率的降低。据此提出了水与MoS2的作用机制—在低湿度下水分子吸附在MoS2薄膜的活性位点处分解为羟基基团，增加湿度会增加羟基基团的数量，导致摩擦系数和磨损率的升高，但是当湿度增大到70%RH时，水分子会发生多层吸附，导致MoS2与对偶间的作用变弱而使得摩损率下降。活性气氛（O2）含量越高，摩擦系数和磨损率的增幅越大，这是因为在活性气氛下，大量生成的氧化物会提供额外的活性位点以增强水分子的吸附，导致摩擦系数进一步上升。 2.为了减弱MoS2与H2O的相互作用在MoS2薄膜中引入Pb、Ti元素，通过掺杂金属元素对H2O和O2的捕获作用来保护MoS2。在真空下，MoS2-Pb-Ti复合薄膜的摩擦系数低至0.01，磨损率低至3.0×10-7mm3/Nm。在大气环境下，50%RH时MoS2-Pb-Ti复合薄膜的摩擦系数低至0.08，磨损率仅有2.3×10-7mm3/Nm。潮湿环境下掺杂金属作为捕氧剂保护MoS2免于氧化，并且增加了薄膜的转移程度，从而维持体系的低摩擦。设计MoS2/Pb-Ti多层结构阻止水在薄膜中的渗透，同时期望发挥金属的捕获效应来改善MoS2的摩擦学性能。在真空下，MoS2/Pb-Ti多层薄膜的摩擦系数低至0.01，磨损率低至2.2×10-7mm3/Nm。在大气环境下，MoS2/Pb-Ti多层薄膜的摩擦系数低至0.07，磨损率低至2.8×10-7mm3/Nm。多层结构具有提高薄膜的力学强度，干扰MoS2与H2O的相互作用，保护MoS2免于氧化的有益效应，从而有效改善了MoS2薄膜的真空和潮湿润滑性能。 3.为了减弱MoS2与H2O的相互作用在MoS2薄膜中引入C元素，通过碳元素的钝化作用保护MoS2。在真空下，MoS2-C复合薄膜的摩擦系数低至0.01，磨损率低至3.0×10-7mm3/Nm；在大气环境下，50%RH时MoS2-C复合薄膜的最佳摩擦系数为0.15左右，磨损率为9.0×10-7mm3/Nm。碳元素具有增加薄膜的力学强度，钝化薄膜的活性位点，增加转移膜的附着程度的优点，从而改善MoS2薄膜在真空和大气下的摩擦学性能。设计DLC/MoS2多层结构减弱水在薄膜中的渗透，提高薄膜的力学强度来改善MoS2的摩擦学性能。90%RH时DLC/MoS2多层薄膜的摩擦系数在0.14左右，磨损率为6.3×10-7mm3/Nm。DLC层的引入可以有效降低薄膜的磨损率，磨损率的降低与C破坏H2O的氢键网络相关。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/25272]  |
| 专题 | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| 作者单位 | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵晓宇. 二硫化钼基复合薄膜在潮湿环境中的摩擦磨损机制及其改性[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018. |
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