电射流沉积MoS 2 /Ti复合涂层的制备及其摩擦磨损特性研究
发布时间：2021-02-14 19:42
作为一种固体润滑材料,MoS2因其优良的摩擦学性能,常以涂层的形式涂覆于基体表面,从而起到减摩润滑的作用。然而,以传统技术制备的MoS2涂层存在大气环境中易氧化、结合强度差、耐磨性不足等问题。电射流沉积技术是指液态流体在高压电场中受到力的作用雾化成稳定的液滴,以精细射流的形式沉积在基体表面的成型技术,其尺寸精度可达纳米级。本文利用电射流沉积技术在硬质合金基体上制备了 MoS2/Ti复合涂层,对涂层结构、工艺参数进行了设计和优化,系统研究了该涂层的微观结构、力学性能和摩擦磨损特性,并深入分析探讨了该涂层的减摩机理。初步构建MoS2/Ti复合涂层结构,采用物质的吉布斯自由能函数法分析计算MoS2层、MoS2复合层、过渡层及基体各组分间是否发生化学反应,结果表明:过渡层与基体以生成新的化合物的形式增强了层-基结合力,且生成物不影响涂层性能的发挥;MoS2层与基体不发生反应;MoS2层、MoS2复合层与过渡层之间发生的化学反应生成的物质仍然具有润滑特性。为了计算涂层制备过程中产生的残余应力,借助有限元软件ANSYS进行了计算,结果表明:MoS2/Ti复合涂层结构能够有效缓解涂层与基体界面结合处...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２电射流沉积技术原理图??带电液滴因携带同种电荷而产生排斥，这种排斥力会使液滴不断发生膨胀；??
?第１章绪论???要与电射流沉积参数和液体的性质参数有关，如施加在电场中的电压值，液体进??入电场时的流量值，喷针距基底的垂直距离，液体的粘度、电导率和表面张力等。??ＭＪｊ?Ｉ??电场力、＼?Ｉ?＼?Ｚ??Ｉ法向）＼?表面张力??电场Ｉ；＊?＼?｜?／粘滞??（切向＞?Ｖ?Ｉ??＇极化力??图１－４稳定“锥－射流”模式下液态流体受力示意图??在各种雾化模式中，稳定“锥－射流”模式具有液流稳定、液滴分布均匀、尺??寸孝易于控制等优点，在此种模式下沉积得到的涂层或薄膜结构均匀、表面质??量较好＾１。图１－４所示为液滴在电场中的受力情况。??１．３．２电射流沉积技术的应用??电射流沉积技术以其沉积效率高、射流精细、液滴均匀、雾化稳定、适应性??强和绿色清洁等优点己被广泛应用于功能膜沉积、纳米颗粒制造、微纳米结构打??印等领域。??（１）功能膜的制备??利用电射流沉积技术进行功能膜的制备，许多学者展开了相关的研宄。??Ｊａｗｏｒｅｋ［４７］等在大量的电射流沉积制备薄膜实验的基础上，将薄膜形貌总结归纳??为两大类：疏松膜和致密膜。两种膜结构的微观形貌具有明显差别，疏松膜以颗??粒状、网状和不规则碎片状为主，而致密膜大多为结晶状、非结晶状和包含颗粒??的非结晶状。??Ｃｈｏｉｌ４８４％等研究了电压对射流模式的影响，成功制备了用于柔性电阻开关的??石墨烯纳米片薄膜，该试验选择的基底为ＰＥＴ基底，制得薄膜的厚度为１４０?ｍｎ；??另外，还沉积获得ＰＶＰ薄膜，厚度为ｌＯＯｎｍ，并应用于电容器的制备。Ｃｈｅｎ【５Ｇ］??等研宄了喷嘴形状对射流模式的影响，并实现了陶瓷薄膜的多形态沉积。??７??
２章Ｍ〇Ｓ２／Ｔｉ复合涂层的结构设计??本章确定了?Ｍ〇Ｓ２Ａｌ复合涂层的设计原则，采用吉布斯自由能法，对基体与??涂层材料进行化学相容性分析，确定了复合涂层的材料体系；采用有限元分析方??法，建立涂层残余应力模型，分析了不同结构涂层的应力及其分布，并研究了复??合涂层中过渡层厚度、层厚比对残余应力的影响，对涂层结构进行了优眩??２．１?ＩＶＩ〇Ｓ２／Ｔｉ复合涂层的设计原则??ＭｏＳ；／ｒｉ复合涂层，自基体向外依次为过渡层、Ｔｉ含量呈规律变化的ＭｏＳ／Ｔｉ??复合层和Ｍ０Ｓ２层，如图２－１所示。其中，过渡层沉积到基体表面，与基体材料??紧密结合以增大涂层与基体的结合力；最表层是Ｍ〇Ｓ２层，与对磨物体接触产生??摩擦，充分发挥Ｍ〇Ｓ２润滑膜优良的减摩性能；中间层则分布Ｔｉ含量呈规律变化??的ＭｏＳ２／Ｔｉ复合层，越靠近过渡层，复合层中Ｔｉ元素含量越高，越向Ｍ０Ｓ２层接??近Ｔｉ含量越低，形成由内到外Ｔｉ含量的渐变分布。??ｍ〇ｓ２／Ｓ??．Ｍ〇Ｓ，Ｔｉ（Ｈ？％）ｆ２??图２－１?ＭｏＳＶＴｉ复合涂层基本结构示意图??对于沉积在基体表面的ＭｏＳ＾＊层而言，其发挥的主要作用为减摩和抗磨，??基于这一目标，并考虑影响涂层摩擦性能发挥的主要因素，确定其设计原则。涂??层材料组分将决定涂层的性能，涂层材料与基体间、涂层材料各成分间可能会发??生化学反应，一方面可能生成的化学键可以提高涂层的结合强度，另一方面可能??生成弱化相，如生成脆性较大的化学成分，容易使涂层发生脆性断裂或剥落，影??响涂层的性能，？此外，复合涂层的层与层之间、与基体界面处的残余应力也是影??响涂层结合强度的关键因素。由于不同材料的热膨胀系数和弹性模量的差异
【参考文献】：
期刊论文
[1]热处理对钛涂层结构和性能的影响[J]. 陈建强,刘敏,邓春明,郭志宏. 金属热处理. 2018(01)
[2]硬质涂层冲击、冲蚀性能的研究进展[J]. 蔡振兵,王璋,朱旻昊. 机械工程学报. 2017(24)
[3]爆炸喷涂WC-Co/MoS2-Ni多层复合自润滑涂层的摩擦学行为[J]. 王铁钢,李柏松,阎兵,范其香,刘艳梅,宫骏,孙超. 材料工程. 2017(03)
[4]铸铁表面铬基Cr-MoS2复合电镀层的摩擦磨损性能[J]. 蒋华,魏青松,吴申庆. 内燃机与配件. 2014(01)
[5]等离子喷涂MoS2/Cu基复合涂层真空摩擦磨损性能[J]. 甄文柱,梁波. 材料工程. 2013(08)
[6]化学镀Ni-P-MoS2/Al2O3复合镀层制备及其性能[J]. 刘婷婷,朱永伟,刘蕴锋,张尚文. 润滑与密封. 2013(07)
[7]Ni-MoS2梯度复合镀层结合强度研究[J]. 黄仲佳,刘明朗. 电镀与涂饰. 2011(04)
[8]空间固体润滑材料的研究现状[J]. 马国政,徐滨士,王海斗,司红娟. 材料导报. 2010(01)
[9]热喷涂技术的发展和应用[J]. 王永兵,刘湘,祁文军,李志国. 电镀与涂饰. 2007(07)
[10]固体润滑剂概述[J]. 谢凤,朱江. 合成润滑材料. 2007(01)
博士论文
[1]激光—微笔/微喷直写集成制造MEMS微结构关键技术研究[D]. 曹宇.华中科技大学 2009
本文编号：3033748
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２电射流沉积技术原理图??带电液滴因携带同种电荷而产生排斥，这种排斥力会使液滴不断发生膨胀；??
?第１章绪论???要与电射流沉积参数和液体的性质参数有关，如施加在电场中的电压值，液体进??入电场时的流量值，喷针距基底的垂直距离，液体的粘度、电导率和表面张力等。??ＭＪｊ?Ｉ??电场力、＼?Ｉ?＼?Ｚ??Ｉ法向）＼?表面张力??电场Ｉ；＊?＼?｜?／粘滞??（切向＞?Ｖ?Ｉ??＇极化力??图１－４稳定“锥－射流”模式下液态流体受力示意图??在各种雾化模式中，稳定“锥－射流”模式具有液流稳定、液滴分布均匀、尺??寸孝易于控制等优点，在此种模式下沉积得到的涂层或薄膜结构均匀、表面质??量较好＾１。图１－４所示为液滴在电场中的受力情况。??１．３．２电射流沉积技术的应用??电射流沉积技术以其沉积效率高、射流精细、液滴均匀、雾化稳定、适应性??强和绿色清洁等优点己被广泛应用于功能膜沉积、纳米颗粒制造、微纳米结构打??印等领域。??（１）功能膜的制备??利用电射流沉积技术进行功能膜的制备，许多学者展开了相关的研宄。??Ｊａｗｏｒｅｋ［４７］等在大量的电射流沉积制备薄膜实验的基础上，将薄膜形貌总结归纳??为两大类：疏松膜和致密膜。两种膜结构的微观形貌具有明显差别，疏松膜以颗??粒状、网状和不规则碎片状为主，而致密膜大多为结晶状、非结晶状和包含颗粒??的非结晶状。??Ｃｈｏｉｌ４８４％等研究了电压对射流模式的影响，成功制备了用于柔性电阻开关的??石墨烯纳米片薄膜，该试验选择的基底为ＰＥＴ基底，制得薄膜的厚度为１４０?ｍｎ；??另外，还沉积获得ＰＶＰ薄膜，厚度为ｌＯＯｎｍ，并应用于电容器的制备。Ｃｈｅｎ【５Ｇ］??等研宄了喷嘴形状对射流模式的影响，并实现了陶瓷薄膜的多形态沉积。??７??
２章Ｍ〇Ｓ２／Ｔｉ复合涂层的结构设计??本章确定了?Ｍ〇Ｓ２Ａｌ复合涂层的设计原则，采用吉布斯自由能法，对基体与??涂层材料进行化学相容性分析，确定了复合涂层的材料体系；采用有限元分析方??法，建立涂层残余应力模型，分析了不同结构涂层的应力及其分布，并研究了复??合涂层中过渡层厚度、层厚比对残余应力的影响，对涂层结构进行了优眩??２．１?ＩＶＩ〇Ｓ２／Ｔｉ复合涂层的设计原则??ＭｏＳ；／ｒｉ复合涂层，自基体向外依次为过渡层、Ｔｉ含量呈规律变化的ＭｏＳ／Ｔｉ??复合层和Ｍ０Ｓ２层，如图２－１所示。其中，过渡层沉积到基体表面，与基体材料??紧密结合以增大涂层与基体的结合力；最表层是Ｍ〇Ｓ２层，与对磨物体接触产生??摩擦，充分发挥Ｍ〇Ｓ２润滑膜优良的减摩性能；中间层则分布Ｔｉ含量呈规律变化??的ＭｏＳ２／Ｔｉ复合层，越靠近过渡层，复合层中Ｔｉ元素含量越高，越向Ｍ０Ｓ２层接??近Ｔｉ含量越低，形成由内到外Ｔｉ含量的渐变分布。??ｍ〇ｓ２／Ｓ??．Ｍ〇Ｓ，Ｔｉ（Ｈ？％）ｆ２??图２－１?ＭｏＳＶＴｉ复合涂层基本结构示意图??对于沉积在基体表面的ＭｏＳ＾＊层而言，其发挥的主要作用为减摩和抗磨，??基于这一目标，并考虑影响涂层摩擦性能发挥的主要因素，确定其设计原则。涂??层材料组分将决定涂层的性能，涂层材料与基体间、涂层材料各成分间可能会发??生化学反应，一方面可能生成的化学键可以提高涂层的结合强度，另一方面可能??生成弱化相，如生成脆性较大的化学成分，容易使涂层发生脆性断裂或剥落，影??响涂层的性能，？此外，复合涂层的层与层之间、与基体界面处的残余应力也是影??响涂层结合强度的关键因素。由于不同材料的热膨胀系数和弹性模量的差异
【参考文献】：
期刊论文
[1]热处理对钛涂层结构和性能的影响[J]. 陈建强,刘敏,邓春明,郭志宏. 金属热处理. 2018(01)
[2]硬质涂层冲击、冲蚀性能的研究进展[J]. 蔡振兵,王璋,朱旻昊. 机械工程学报. 2017(24)
[3]爆炸喷涂WC-Co/MoS2-Ni多层复合自润滑涂层的摩擦学行为[J]. 王铁钢,李柏松,阎兵,范其香,刘艳梅,宫骏,孙超. 材料工程. 2017(03)
[4]铸铁表面铬基Cr-MoS2复合电镀层的摩擦磨损性能[J]. 蒋华,魏青松,吴申庆. 内燃机与配件. 2014(01)
[5]等离子喷涂MoS2/Cu基复合涂层真空摩擦磨损性能[J]. 甄文柱,梁波. 材料工程. 2013(08)
[6]化学镀Ni-P-MoS2/Al2O3复合镀层制备及其性能[J]. 刘婷婷,朱永伟,刘蕴锋,张尚文. 润滑与密封. 2013(07)
[7]Ni-MoS2梯度复合镀层结合强度研究[J]. 黄仲佳,刘明朗. 电镀与涂饰. 2011(04)
[8]空间固体润滑材料的研究现状[J]. 马国政,徐滨士,王海斗,司红娟. 材料导报. 2010(01)
[9]热喷涂技术的发展和应用[J]. 王永兵,刘湘,祁文军,李志国. 电镀与涂饰. 2007(07)
[10]固体润滑剂概述[J]. 谢凤,朱江. 合成润滑材料. 2007(01)
博士论文
[1]激光—微笔/微喷直写集成制造MEMS微结构关键技术研究[D]. 曹宇.华中科技大学 2009
本文编号：3033748
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