收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

Ti,Al掺杂对二硫化钼基润滑涂层结构与性能影响研究

曹明  
【摘要】:MoS_2基润滑涂层自从在空间领域获得成功以来,其优异的润滑性能就被广泛研究,但因常温常湿(25℃,50±10RH%)环境中氧和水汽容易导致涂层润滑性能失效而限制了其在日常工业生产和生活中广泛应用。金属、金属氧化物和金属硫化物等各种组分掺杂已成为制备具有低摩擦系数和高耐磨损性能的MoS_2基润滑涂层的重要手段之一,而多组分共掺杂MoS_2基润滑涂层的综合摩擦学性能往往会更佳,但各组分间相互作用也更复杂,相关领域研究工作有待进一步拓展。本文基于多组分掺杂MoS_2基润滑涂层产生晶粒细化、化学反应及协同润滑等作用机理,使用Ti、Al金属分别掺杂Cu-MoS_2、CuS-MoS_2和ZnO-MoS_2制成三个系列MoS_2基润滑涂层。通过对磁控共溅射制备工艺、真空退火工艺参数的优化以及梯度工艺的实施,研制出常温常湿条件下具有低摩擦系数和耐磨损性能的MoS_2基固体润滑涂层;系统地分析了Ti和Al掺杂不同系列MoS_2基润滑涂层的作用机理,阐述了Cu与MoS_2、ZnO与MoS_2之间的协同润滑作用及CuS受热分解作用;采用原子层沉积技术在基底上预先沉积ZnO薄膜以观察其生长取向对后续沉积涂层结构与摩擦学性能的影响,并构建了基于ZnO薄膜-基底化学吸附力、ZnO薄膜脆性以及金属-ZnO-MoS_2复合涂层与ZnO薄膜层之间结合力三因素共同作用的复合涂层破损模型。首先,由于Cu具有低硬度和一定的润滑性能,与MoS_2共掺杂时产生协同润滑作用,得到了比纯MoS_2涂层更低的摩擦系数,但复合涂层纳米硬度提高不明显。Ti、Al金属分别掺杂Cu-MoS_2复合涂层后,Ti-Cu-MoS_2涂层致密度得到明显提升,结合力下降,退火前后润滑性能一般,而Al-Cu-MoS_2涂层经基材加热和涂层热处理后出现了γ_2-Cu_9Al_4和Al_2S_3等微晶相。Al-Cu-MoS_2复合涂层纳米硬度由Cu-MoS_2复合涂层的0.73GPa增加到1.97GPa,经400℃退火后摩擦系数可低至0.076,XPS结果还显示Al-Cu-MoS_2涂层表面Cu、Al金属起到了很好的吸氧作用,并使得MoS_2水解反应减弱。因此,Cu、Al双金属共掺杂MoS_2润滑涂层因退火处理获得微晶组织而改善了摩擦学性能和机械性能。基于CuS在220℃时受热分解成Cu_2S和S,制备了金属-CuS-MoS_2复合涂层。通过退火工艺来观察S元素对Ti、Al金属掺杂MoS_2基润滑涂层结构与性能的影响。由于CuS不具润滑性能,CuS与MoS_2共溅射复合涂层润滑性能有所下降,金属掺杂CuS-MoS_2涂层后润滑性能也没有明显改善。但在真空退火过程中CuS的分解对金属-CuS-MoS_2复合涂层结构有较大影响,也有效地提高了涂层的摩擦学性能。还研究MoS_2基润滑涂层中S:Mo比与润滑性能间的关系,发现单一金属掺杂时,S:Mo比与润滑性能间具有相关性,S:Mo比在1.2到1.6之间涂层润滑性能较好,但多组分共掺杂尤其是CuS掺杂MoS_2基润滑涂层中S:Mo比与摩擦系数之间没有发现明确的逻辑关系。基于S原子进入ZnO沉积时形成的空位而产生协同润滑作用,制备了Ti和Al金属分别掺杂的金属-ZnO-MoS_2复合涂层。发现Ti掺杂ZnO-MoS_2涂层可抑制ZnO晶粒长大,有利于形成致密涂层,摩擦系数可低至0.08,比未掺杂金属的涂层摩擦系数略低,而Al掺杂ZnO-MoS_2涂层摩擦系数最低为0.13,总体上金属掺杂对ZnO-MoS_2复合涂层润滑性能的改善并不明显。进一步对金属-ZnO-MoS_2复合涂层实施梯度工艺以优化涂层结构、减少内应力并提高膜-基结合力,实现了涂层摩擦系数的降低和纳米硬度的提高。其中Ti金属掺杂的梯度复合涂层结构更致密;而Al金属掺杂的梯度复合涂层则具有更好的抗氧化性能及更高的断裂韧性,金属Ti和Al掺杂ZnO-MoS_2复合涂层的作用存在明显差异。为进一步分析ZnO-MoS_2系列涂层晶粒生长对润滑性能的影响,利用原子层沉积技术在基底上获得厚度与结晶程度不一的ZnO薄膜,再利用磁控溅射技术在ZnO薄膜上沉积金属-ZnO-MoS_2复合涂层。发现在ZnO薄膜晶体择优生长方向的诱导下,Al-ZnO-MoS_2复合涂层在原本韧性改善的基础上变得更加致密,其中梯度工艺制备的Al-ZnO-MoS_2复合涂层摩擦系数降低至0.09,经300°C退火后纳米硬度由未使用梯度工艺时2.0GPa提升到3.95GPa。XPS结果还显示,经过退火处理后的ZnO-MoS_2系列涂层表面抗氧化性能和抗湿性能得到提升,这有利于提高MoS_2基润滑涂层的使用寿命。本文制备出常温常湿条件下具有低摩擦系数和较好耐磨损性能的系列MoS_2基固体润滑涂层,分析了Ti和Al掺杂具有协同润滑效应的Cu-MoS_2及ZnO-MoS_2及受热发生分解的CuS-MoS_2组分所产生的不同作用机理,研究发现金属掺杂在不同涂层体系中可以起到形成中间相、细化晶粒、提高硬度、改善韧性、提高抗氧化性和抗湿性能等不同作用,从而改善涂层摩擦学性能。研究工作进一步完善了金属掺杂MoS_2基润滑涂层的理论体系,有利于从理论上指导和推动软润滑涂层沉积制备工艺的改良,具有较好的应用推广价值。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前19条
1 ;中科院研制出飞机用纳米复合涂层新技术[J];涟钢科技与管理;2012年02期
2 楼白杨;杜敬平;赵杰;徐斌;;微弧氧化/磁控溅射复合涂层对镁微观结构与摩擦性能的影响[J];真空科学与技术学报;2017年04期
3 储成林;;“复合涂层及其制备技术”专题序言[J];表面技术;2017年07期
4 孟祥军;刘秀波;刘海青;陈瑶;;钛合金表面激光熔覆高温自润滑耐磨复合涂层[J];焊接学报;2015年05期
5 马壮;李剑;闫翠娟;李智超;;粉煤灰玻璃/陶瓷复合涂层冲蚀磨损性能研究[J];硅酸盐通报;2013年08期
6 韩玉良;董艳春;阎殿然;;金属-陶瓷复合涂层的组织与磨损性能研究[J];陶瓷;2010年06期
7 ;多元复合涂层研制成功获国家专利[J];稀土;2010年03期
8 杨子润;王树奇;高明娟;陈康敏;;铸钢表面复合涂层的微观组织分析[J];铸造技术;2007年10期
9 徐维普;徐滨士;张亚余;杨宇清;;高速电弧喷涂FeAlCrNi/Cr_3C_2复合涂层的摩擦学特性[J];焊接技术;2005年06期
10 林化春,丁润刚;镍基合金-碳化铬复合涂层耐磨特性的研究[J];摩擦学学报;1996年03期
11 洁茹;;中标制造笫一条国产化多功能复合涂层织物生产线[J];技术经济信息;1990年02期
12 S.Plumb;胡卫平;;TD法的优点[J];模具技术;1988年04期
13 王世华;;保护金属表面用自然干燥复合涂层[J];精细化工信息;1988年05期
14 刘伯生;;新颖的复合涂层技术[J];新技术新工艺;1988年04期
15 黄新民 ,邓宗钢 ,魏纯金 ,洪钟;化学沉积Ni-P-SiC复合涂层的耐磨性(英文)[J];合肥工业大学学报(自然科学版);1989年03期
16 唐春华;;热喷铝工艺实践[J];电镀与涂饰;1989年02期
17 高硕洪;刘敏;庞晓军;张小锋;邓畅光;梁兴华;邓春明;;超疏水复合涂层的制备和性能研究[J];材料研究学报;2018年07期
18 陈光;王毅;杨福东;路新行;;低碳钢表面火焰喷涂复合涂层的耐腐蚀性能研究[J];科技创新与应用;2016年34期
19 赵明娟;邓瑞智;赵龙志;张坚;;非均匀温度场激光熔注复合涂层晶粒生长模拟[J];应用激光;2017年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 许坚勇;;复合涂层的技术应用[A];防腐蚀工程技术交流会暨防腐蚀及节能新材料普及讲座论文集[C];2008年
2 田宏;王亚明;李学伟;欧阳家虎;;钛合金微弧氧化/有机硅转化复合涂层的制备与高温性能[A];第十一次全国热处理大会论文集[C];2015年
3 王锋;李阳;吴甜甜;王一超;周新晶;;颗粒特性对冷喷涂复合涂层沉积行为影响的实验研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第4分册)[C];2010年
4 程银健;陈九磅;王平;;高温耐磨复合涂层的制备与磨损性能研究[A];2011年安徽省科协年会——机械工程分年会论文集[C];2011年
5 蒋驰;周晋林;赖新春;肖云峰;税毅;王术刚;;钽/钨/锡复合涂层喷涂工艺应用[A];中国工程物理研究院科技年报(2002)[C];2002年
6 肖汉宁;刘付胜聪;李玉平;;二氧化钛在聚丙烯酸酯复合涂层中抗光降解作用的研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年
7 方建筠;栗卓新;汤春天;史耀武;;电弧喷涂制备金属陶瓷复合涂层及其性能[A];第十届全国青年材料科学技术研讨会论文集(C辑)[C];2005年
8 孙冬柏;;非晶纳米晶复合涂层的制备技术与性能[A];第六届全国表面工程学术会议论文集[C];2006年
9 曹博蕊;王从曾;苏学宽;马捷;;镁合金微弧氧化-化学镀镍复合涂层的结构与性能[A];第六届全国表面工程学术会议论文集[C];2006年
10 周昌炽;唐西南;;激光熔覆合金和陶瓷复合涂层开裂的研究[A];特种加工技术——2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会论文集[C];2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 曹明;Ti,Al掺杂对二硫化钼基润滑涂层结构与性能影响研究[D];吉林大学;2019年
2 耿振;生物磷灰石的元素掺杂及其修饰医用钛的骨整合效应[D];天津大学;2017年
3 刘涛;碳化锆基复合涂层结构与抗烧蚀性能研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所);2018年
4 王昱;基于事故容错燃料的ZrO_2/FeCrAl复合涂层的制备及氧化行为研究[D];中国工程物理研究院;2018年
5 高文卿;新型心脏外科管道系统生物活性涂层的研制[D];天津医科大学;2013年
6 黄丹;钛表面载金属离子多功能复合涂层的制备及性能研究[D];武汉大学;2018年
7 叶育伟;改性石墨烯基环氧复合涂层耐蚀行为机理研究[D];北京科技大学;2019年
8 王颖;紫外光固化环氧丙烯酸酯纳米复合涂层的制备及性能研究[D];东北大学;2017年
9 张高伟;Li/V包层通道内壁Ti/AlN复合涂层的制备和阻氘性能研究[D];北京科技大学;2018年
10 刘传胜;氮化碳纳米复合涂层摩擦磨损和耐水蚀研究[D];武汉大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 牛佳林;AZ60镁合金表面聚己内酯复合涂层的制备及其性能研究[D];吉林大学;2019年
2 李彬新;镁合金表面钙系磷化物/聚乳酸复合涂层的制备、改性及性能研究[D];吉林大学;2019年
3 卿云安;医用钛合金表面TaN-Ag复合涂层抗菌性能的研究[D];吉林大学;2019年
4 文琪;钢基陶瓷复合涂层的制备与性能研究[D];长江大学;2019年
5 王勉;304不锈钢激光制备自润滑复合涂层微观组织结构和力学性能[D];中南林业科技大学;2019年
6 周仲炎;Ti6Al4V合金激光原位合成自润滑复合涂层的微结构与力学性能[D];中南林业科技大学;2019年
7 敬玉娟;功能化二硫化钼的制备及其环氧复合涂层的耐蚀性研究[D];西南石油大学;2018年
8 吕玉翠;固定化酶环氧复合涂层在循环冷却水系统中的应用[D];中国石油大学(华东);2017年
9 王九华;钢铁表面超疏水复合涂层的制备及其耐蚀性能研究[D];厦门大学;2018年
10 谭吉林;钛种植体表面聚吡咯—聚多巴胺复合涂层的构建[D];厦门大学;2017年
中国重要报纸全文数据库 前9条
1 罗晔;抗菌驱虫复合涂层钢板的制备及性能研究[N];世界金属导报;2018年
2 记者 姚耀;纳米复合涂层新技术为飞机护航[N];中国化工报;2010年
3 李国强;世界首条多功能复合涂层钢板生产线建成[N];中国冶金报;2003年
4 文德;汽车燃油箱用高性能纳米复合涂层Zn-Ni镀层钢板[N];世界金属导报;2019年
5 高心如 俞少忠;三船舶项目成功对接[N];中国船舶报;2011年
6 ;纳米金刚石复合涂层技术实现产业化应用[N];中国高新技术产业导报;2006年
7 记者 李国强;二十冶两项工程创中国企业新纪录[N];中国冶金报;2004年
8 刘小革;我国核聚变装置壁处理再创新技术[N];四川科技报;2000年
9 ;一项专利解决一大难题[N];经济日报;2007年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978