WS2与WS2-C复合薄膜的性能研究

作为一种重要的固体润滑材料,二硫化钨以其优异的摩擦学性能在航空航天、机械加工、新能源汽车、医疗、电子、数码等领域有着广泛的应用价值。但是,纯WS2薄膜的承载能力较低,且易在潮湿空气中吸潮氧化,进而严重缩短了自身的使用寿命。

WS2薄膜图片

现今,为提高纯WS2薄膜的承载能力及服役寿命,中南大学学者以WS2、石墨和纯钛为靶材,采用孪生靶中频磁控溅射、直流磁控溅射结合离子增强的方法,在单晶硅片及TC4合金(Ti6Al4V)基体表面制备了WS2和WS2-C复合薄膜。

通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、Raman光谱仪、金相显微镜(OM)、显微硬度仪、划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机对WS2和WS2-C复合薄膜的微观组织、物相结构、力学性能及摩擦磨损性能进行了研究。结果表明:
 
通过中频磁控溅射方法制备的WS2薄膜有不同程度的S元素损失现象,其S/W原子比与工作气压密切相关,受沉积温度的影响不太明显;WS2薄膜呈现明显的(002)晶面择优生长,随着沉积温度的升高,薄膜的(002)衍射峰逐渐减弱;纯WS2薄膜的显微硬度较低,膜/基结合强度较好;较低温度条件下制备的WS2薄膜具有较低的的摩擦系数,减摩效果良好,升高沉积温度,薄膜的摩擦系数有所提高。

石墨图片

共溅射WS2靶和石墨靶制备的WS2-C复合薄膜的结构致密,S/W原子比接近于同条件下的WS2薄膜;随着碳含量的增加,复合薄膜的WS2((002)晶面衍射峰逐渐减弱;碳钨化合物的出现,使得薄膜的硬度有了一定程度的提高;添加碳元素,复合薄膜的膜/基结合强度有降低的趋势;随着碳含量的增加,复合薄膜的摩擦系数逐渐升高,这也就说明了其减摩效果不如纯WS2薄膜,但是其耐磨寿命有了很大程度的提高;纯WS2膜及低碳含量复合薄膜的摩擦系数随载荷的增加而有所降低,对于较高碳含量的复合薄膜,摩擦系数受载荷的影响不太明显,载荷变大时薄膜的摩擦过程基本上都逐渐趋于稳定。

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