二硫化钨（WS2）薄膜的制备及其摩擦学性能

论文摘要

在高温、高真空或高低温循环等苛刻条件下,液体润滑剂由于无法满足使用要求,这使润滑剂面临严峻的挑战。在这些环境中,固体润滑膜可以代替液体润滑剂有效地发挥润滑功能,并已被广泛应用于真空设备及空间技术领域。由于具有优异的摩擦学性能以及比MoS2更高的抗氧化温度,WS2已经成为解决苛刻运行环境中润滑问题的有效途径。本课题采用反应磁控溅射硫化法和射频磁控溅射两种沉积方法在3Cr13不锈钢基片上沉积二硫化钨(WS2)薄膜。采用SEM, XRD, EDS对薄膜的形貌、结构、化学成分进行了表征和测试；采用划痕试验测定了薄膜与界面的结合强度,采用触针法测量薄膜的厚度,并通过微摩擦试验机表征了WS2薄膜的摩擦学性能。XRD检测结果显示,利用本课题两种沉积方法在不锈钢基片上沉积的WS2薄膜可以是非晶态也可以是晶态。EDS测出WS2薄膜内S、W元素的质量百分比和原子百分比,由分析数据可知,实验参数不同,WS2膜的成分结构及性质都有所变化；SEM分析发现薄膜由均匀的颗粒组成,薄膜与基体结合良好,没有出现开裂、分离的情况。反应磁控溅射硫化法检测结果表明硫化温度对WS2薄膜的表面形貌和结晶率有明显的影响,而对膜层的化学成分影响不大。射频磁控溅射法检测结果表明添加过渡层可以改善薄膜结合力；经过退火处理的薄膜出现结晶趋势。本文还总结了两种沉积方法制备的WS2薄膜在不同参数(如：硫化温度、溅射功率、溅射气压、溅射时间和过渡层等)条件下,薄膜结构、化学成分、膜厚、薄膜与基底界面的结合力等随工艺参数的变化规律。采用微摩擦试验机研究了WS2薄膜的摩擦学性能。讨论了不同工艺参数对薄膜摩擦学性能的影响。结果表明：对于反应磁控溅射硫化法制备的WS2薄膜,可以有效改善不锈钢基底的摩擦学性能。而且随着硫化温度的升高,薄膜摩擦学性能随之提高。对于射频磁控溅射法,研究了摩擦学性能随不同工艺参数的变化规律。本文发现增加一定的过渡层对于沉积质量较好的薄膜十分有利,增加过渡层后,减小了薄膜内应力,增加了薄膜与基底的结合力,明显提高了成膜质量,制得的薄膜摩擦系数小,并且载荷变化,对加过渡层的薄膜影响也较小。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 固体润滑剂
• 1.2.1 润滑剂的分类
• 1.2.2 固体润滑剂的分类
• 1.2.3 固体润滑剂应具备的特性
• 1.3 固体润滑膜
• 1.3.1 固体润滑膜
• 1.3.2 固体润滑膜的性能
• 1.3.3 固体润滑膜的摩擦特性及影响因素
• 1.3.4 固体润滑膜的磨损特性及影响因素
• 1.4 二硫化钨概述
• 2基本性质'>1.4.1 WS₂基本性质
• 2固体润滑薄膜的润滑机理'>1.4.2 WS₂固体润滑薄膜的润滑机理
• 2的用途'>1.4.3 WS₂的用途
• 2薄膜'>1.4.4 WS₂薄膜
• 1.5 二硫化钨的研究进展
• 1.6 课题的立题依据和研究意义
• 1.7 本章小结
• 第2章 二硫化钨薄膜的制备
• 2.1 溅射镀膜的原理及特点
• 2.1.1 磁控溅射镀膜原理及特点
• 2.1.2 反应磁控溅射镀膜原理及特点
• 2.1.3 射频溅射镀膜原理及特点
• 2.2 二硫化钨薄膜的制备工艺
• 2.2.1 镀膜试验方案设计
• 2.2.2 靶材制备
• 2.2.3 实验材料的选用
• 2.2.4 镀膜前基材样品的预处理
• 2.2.5 实验设备
• 2薄膜沉积步骤'>2.2.6 WS₂薄膜沉积步骤
• 2薄膜沉积工艺参数'>2.2.7 WS₂薄膜沉积工艺参数
• 2.3 本章小结
• 第3章 二硫化钨薄膜结构分析和形貌表征
• 3.1 结构分析
• 3.1.1 薄膜结构的X射线衍射表征
• 3.1.2 薄膜化学成分分析
• 3.2 薄膜——基底界面结合强度和膜厚
• 3.2.1 薄膜——基底界面结合强度测试
• 3.2.2 薄膜厚度测定
• 3.3 表面形貌
• 2薄膜的表面形貌'>3.3.1 反应磁控溅射硫化法沉积WS₂薄膜的表面形貌
• 2薄膜的表面形貌'>3.3.2 射频磁控溅射法沉积WS₂薄膜的表面形貌
• 3.4 本章小结
• 第4章 二硫化钨薄膜的摩擦学性能
• 4.1 实验设备
• 4.2 反应磁控溅射硫化法沉积二硫化钨薄膜摩擦学性能
• 4.3 射频磁控溅射法沉积二硫化钨薄膜摩擦学性能
• 4.3.1 溅射气压对摩擦系数的影响
• 4.3.2 溅射功率对摩擦系数的影响
• 4.3.3 溅射时间对摩擦系数的影响
• 4.3.4 过渡层对摩擦系数的影响
• 4.3.5 载荷对摩擦系数的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢