外部条件对二维过渡金属硫化物摩擦性能的影响研究

发布时间：2020-06-06 20:24

【摘要】：随着微纳制造技术和纳米材料科学的迅猛发展,微机电系统(MEMS)也迎来了新的机遇和挑战。石墨烯和过渡金属硫化物等二维材料已经被广泛用在了滑动元器件和摩擦副中。由于二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)优异的摩擦性能,它们已经被作为固体润滑剂、润滑油添加剂和抗磨涂层等用于微机电设备、航空航天以及国防工业等领域。众所周知,材料的摩擦性能与薄膜厚度、相对滑动速度和相对环境湿度等有着很大的依赖关系。但是,目前这些因素对MoS2和WS2纳米片的摩擦性能的影响尚不清楚,这严重影响着它们在器件中的稳定应用。因此,本文重点关注样品的厚度、相对滑动速度和相对环境湿度对MoS2和WS2纳米片的摩擦性能的影响。为了方便的得到摩擦力,本文提出了一种弹性力常数法来标定探针的横向转换系数,然后通过在不同厚度样品表面进行扫描、设定不同扫描速度和设置不同环境湿度来分别实现对厚度、扫描速度、环境湿度的摩擦研究。本论文的主要内容如下:1.区别于传统的悬臂力法,提出了一种弹性力常数法来对横向转换系数进行标定,该方法使用易从原子力显微镜(AFM)中获得的法向弹性常数,而不是悬臂的杨氏模量和宽度。与楔形法相比,本方法不需要特殊的标定光栅;而与悬臂力法相比,不精确的悬臂杨氏模量得到了合理规避。2.利用机械剥离法和锂离子插层法成功制备出少层MoS2和WS2的纳米片样品。AFM和拉曼光谱被用来表征材料的形貌、厚度和晶体结构。对MoS2纳米片粘附力的实验表明:粘附力随层数增加而不断的减小,而当层数达到大约6层之后,粘附力保持不变。在不同的相对环境湿度下,样品的粘附力随着湿度的增大而增加。3.对厚度、扫描速度和环境湿度对摩擦的影响进行了研究,发现摩擦力和摩擦系数均随着纳米片厚度从3 nm增加到5 nm而单调的减小,当纳米片厚度大于5 nm之后,摩擦力和摩擦系数基本保持不变。此时,MoS2和WS2纳米片的摩擦系数大约为0.007±0.0013和0.013±0.0020;在扫描速度逐渐增加至某一临界速度的过程中,摩擦力表现出了对数增加的趋势,当扫描速度达到临界速度3.10 μ/s之后,摩擦力保持稳定为1.7 nN。当相对湿度在30%～60%时,摩擦力和摩擦系数均增加,此时摩擦系数的范围为0.010～0.013。
【图文】：

结构示意图,耐腐性能,化学惰性,三明治结构

图１．１邋ＭｏＳ２和ＷＳ２的结构示意图逡逑

复合涂层,富勒烯,涂层,润滑剂

图１．２添加类富勒烯ＷＳ２添加剂前后ＳＮ９０润滑剂的Ｓｔｒｉｂｅｃｋ曲线对比图ｌ２ｆｌ】逡逑２．涂层与复合涂层逡逑Ｍ0Ｓ２作为抗磨涂层及复合涂层的添加剂已经得到了广泛的应用，例如图１．３中逡逑的涂有Ｍ0Ｓ２固体涂层的螺钉等。ＷＳ２由于与Ｍ0Ｓ２类似的结构和性能，也得到了广逡逑泛的研究。Ｍ．邋Ｉｗａｋｉ在超高真空和低温环境下制备出了邋ＷＳ２涂层，将该涂层派射于逡逑硅基底上进行往复式摩擦测试，成功观察到了在真空条件下该涂层的超低摩擦现象逡逑［２２］。而随着薄膜工艺和制备技术的长足发展，抗磨涂层及复合涂层由于它们好的耐逡逑磨性能和显著延长工件使用寿命的特点，己经被使用在了高真空环境下的转动系统、逡逑滑动部件等领域［２３＿２＜）］。逡逑Ｈｅ逡逑阁１．３涂有ＭｏＳ２邋Ｎ休涂层的螺钉逡逑３逡逑
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH117.1

【参考文献】