| 几种WS2复合薄膜的结构设计及其摩擦学性能研究 | |
徐书生
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| Subtype | 工学博士 |
| Thesis Advisor | 刘维民 ; 翁立军 |
| 2014-05-28 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 射频溅射 Ws2基薄膜 结构化设计 摩擦学性能 氧化失效机理 Radio Frequency Sputter Ws2 Based Films Structure Design Tribological Properties Oxidation Failure Mechanism |
| Abstract | 采用射频共溅射技术制备了几种WS2基复合薄膜：WS2-软金属(Ag 或 Cu) 复合薄膜、WS2-Ni 复合薄膜、WS2-Al 复合薄膜，WS2-Sb2O3/Cu纳米多层薄膜、WS2/Cu纳米多层薄膜；研究了添加相种类及其含量对WS2基复合薄膜结构、力学及其摩擦学性能的影响规律；考察了薄膜在不同环境条件下(真空、干燥空气、潮湿空气)的摩擦学性能，并开展了摩擦磨损失效机理研究；探索了不同结构的WS2基薄膜耐原子氧侵蚀性能和抗潮湿大气浸蚀性能的研究工作。研究结果表明： 1. 采用射频共溅射方法分别在WS2基质中引入了不同种类的软金属相。制备出的WS2-软金属复合薄膜结构随着添加金属种类的不同而表现出较大差异：添加金属Ag在一定程度上诱使了WS2柱状晶的细晶化，但未能够有效阻碍WS2柱状形式的生长，因而WS2-Ag复合薄膜结构疏松；金属Cu 含量较低的WS2基薄膜同样具有疏松结构，金属Cu含量较高的WS2基薄膜结构致密，随着金属Cu含量的增加，WS2基薄膜的非晶化与致密化程度均逐渐升高。在摩擦过程中，结构迥异的两类复合薄膜经历了不同的摩擦磨损机制，然而均有利于发挥 WS2基质的低摩擦、高耐磨特性。 2. 采用射频共溅射技术制备了WS2-Ni复合薄膜。金属Ni以非晶态形式弥散分布在WS2基质中，添加少量的金属Ni即可有效阻碍粗大WS2柱状晶的生长，随着金属Ni含量的逐渐增加，这种阻碍效应越显著，复合薄膜的细晶化、非晶化与致密化程度越高。薄膜的致密化以及金属Ni诱使的固溶强化效应是WS2-Ni复合薄膜硬度提高的关键因素。在不同的环境条件下，与 WS2薄膜相比，结构优化的WS2-Ni复合薄膜均表现出优异的摩擦学性能与良好的环境适应性。 3. 在WS2-Sb2O3/Cu纳米多层薄膜中，单纯采用添加少量氧化物Sb2O3并未达到抑制棱面取向WS2晶体生长的目的，通过进一步引入金属Cu纳米层，则可使WS2柱状晶趋于非晶化和致密化，获得的WS2-Sb2O3/Cu纳米多层薄膜具有较高的硬度与承载能力。在真空环境中，此类WS2基纳米多层薄膜表现出优异的摩擦学性能，在保持较低摩擦系数的同时，实现了较长的耐磨寿命。 4. 研究了不同结构的WS2薄膜与WS2-Al复合薄膜在模拟空间原子氧辐照条件下及WS2薄膜与WS2/Cu纳米多层薄膜在高湿度大气环境中储存时的氧化失效机理。研究发现，在大剂量原子氧辐照条件下，致密结构的WS2-Al复合薄膜表面衍生出一层致密WO3保护膜，可有效阻止原子氧向其内部的大剂量扩散，从而避免了膜层内部深度氧化现象的发生；开放结构的纯 WS2 薄膜单个柱状晶表层同样出现了致密WO3保护层，薄膜避免了遭受原子氧的严重侵蚀。在高湿度大气环境中储存时，致密结构的WS2/Cu纳米多层薄膜避免了其内部遭受水汽浸蚀现象的发生；然而开放结构的纯WS2薄膜膜层及其衬底基体均遭受到了水汽的严重浸蚀。 |
| Subject Area | 材料科学与物理化学 |
| Funding Project | 空间润滑材料组;PVD润滑薄膜组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/6760 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 徐书生. 几种WS2复合薄膜的结构设计及其摩擦学性能研究[D]. 中国科学院大学,2014. |
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