納米二硫化鎢薄膜的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

施凱烽，謝 鳳

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

納米二硫化鎢薄膜的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

施凱烽，謝 鳳

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

納米二硫化鎢薄膜有著非常優(yōu)異的性能：物化性能穩(wěn)定、導(dǎo)電性特殊、有特殊的潤滑性能。應(yīng)用于新型潤滑領(lǐng)域，可以抵抗苛刻環(huán)境的影響；應(yīng)用于高溫模鍛行業(yè)，制造出的工件材質(zhì)均勻、強(qiáng)度好。因此，納米二硫化鎢薄膜有著非常好的應(yīng)用前景，但是大規(guī)模工業(yè)化還需要一定的過程。

納米；二硫化鎢薄膜；應(yīng)用

近些年來，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，在這個(gè)過程中，設(shè)備運(yùn)行的工況條件也越來越復(fù)雜、越來越多樣化，許多工況都是比較苛刻的高溫、高壓和強(qiáng)輻射環(huán)境。這樣的工況條件就要求設(shè)備具有良好的性能和較長的使用壽命，也對設(shè)備的潤滑和制作設(shè)備的工件均勻度和強(qiáng)度提出了更高的要求。目前傳統(tǒng)的潤滑油無法滿足各種工況條件，而傳統(tǒng)的高溫模鍛也很難做出均質(zhì)、強(qiáng)度高的工件[1-3]。做為新型潤滑材料的二硫化鎢有著非常優(yōu)秀的性能，尤其是在一些特殊的應(yīng)用情況下，比如溫度高、壓強(qiáng)大、真空度高、負(fù)荷大的情況下，或者有輻射和腐蝕的環(huán)境情況下，它的優(yōu)良性能表現(xiàn)尤為突出，而且二硫化鎢所具有的優(yōu)良性能，還決定了將其應(yīng)用于高溫模鍛行業(yè)也會取得良好的效果[4]。通過將二硫化鎢用于納米二硫化鎢薄膜，就能制造出一種具有特殊層狀結(jié)構(gòu)的膜，這種膜具有很強(qiáng)的抗氧化能力，同時(shí)能在更為廣泛的溫度范圍內(nèi)適用[5]。另外，在摩擦學(xué)方面，由于其具有較小的摩擦系數(shù)，近年來越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 納米二硫化鎢薄膜的基本特性

二硫化鎢是一種具有金屬光澤的，深灰色的結(jié)晶性粉末，它是一種層狀的六方晶體晶系結(jié)構(gòu)，密度介于7.4 g/m3和7.5 g/m3之間。從微觀上講，二硫化鎢晶體具有三個(gè)平面單元層，分別為S-W-S，單元層內(nèi)的鎢原子被硫原子包圍，而硫原子呈三棱形分布，兩兩相連的原子之間具有很強(qiáng)的鍵，能帶間隙可以達(dá)到1.8 eV之高，不同層之間靠分子力連接，鍵力很弱，導(dǎo)致兩層之間很容易斷開，這也是為什么二硫化鎢的固體潤滑性能優(yōu)秀的原因。下面分別對其具有的特性進(jìn)行說明[6-8]。

1.1 具有穩(wěn)定的物化特性

在空氣中，二硫化鎢非常穩(wěn)定，在水、油脂、醇類等有機(jī)溶劑中，由于其具有化學(xué)惰性，不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也非常穩(wěn)定，另外在有輻射和腐蝕性酸、堿存在的情況下，也表現(xiàn)出其良好的性能。二硫化鎢還具有一些可觀的性能，比如能夠很好的吸附在金屬表面，并且不與金屬發(fā)生反應(yīng)；能夠在熔融的碳酸鹽中溶解；在有氧化劑的情況下，也能大量的溶解于碳酸鹽中，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以廣泛應(yīng)用。

1.2 具有特殊的導(dǎo)電性

二硫化鎢薄膜的導(dǎo)電性具有非常特殊的特點(diǎn)，經(jīng)過圧縮成形的二硫化鎢的粉末，隨著壓力的增加，其固有電阻將會降低。如果是在真空條件下進(jìn)行加熱，將會呈現(xiàn)出負(fù)溫度特性，這種性質(zhì)與半導(dǎo)體類似，出現(xiàn)固有電阻變小的現(xiàn)象。然而，如果是在非真空的空氣狀態(tài)下，固有電阻在300℃以下并沒有明顯變化，只有在300℃以上時(shí)會出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象。

1.3 潤滑特性

二硫化鎢的摩擦系數(shù)與環(huán)境有很大的關(guān)系，在空氣中摩擦系數(shù)增加，在真空中會變小，即使摩擦中止，摩擦系數(shù)也會因?yàn)楸砻嫔衔降纳啥龃?。二硫化鎢制成的薄膜具有更強(qiáng)的環(huán)境依存特性，摩擦系數(shù)會在濕空氣下顯著增大。常溫情況下，載荷和速度高時(shí)，摩擦學(xué)性能高。在空氣條件下，溫度稍高于常溫時(shí)，具有很好的耐磨損性。與活潑金屬接觸加熱，在高溫情況下，仍具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2 納米二硫化鎢薄膜的研究進(jìn)展

從1962年起至1971年，對二硫化鎢的應(yīng)用僅限于美國水手號太空船，用于潤滑太空船的關(guān)鍵部位。隨著納米二硫化鎢薄膜技術(shù)的不斷發(fā)展，美國已經(jīng)將二硫化鎢固體潤滑薄膜技術(shù)應(yīng)用于除航天飛機(jī)之外的軍用領(lǐng)域，如軍用戰(zhàn)斗機(jī)和其它軍用機(jī)械的潤滑。另外，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的硬盤驅(qū)動部分、高真空環(huán)境下的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、特殊條件下的滑動部件等領(lǐng)域也開始受到廣泛應(yīng)用[9-11]。實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，納米二硫化鎢薄膜的應(yīng)用能夠極大的提高轉(zhuǎn)動工件的使用壽命，一般能夠達(dá)到原始壽命的3.5～4倍。由于二硫化鎢薄膜擁有層狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)形成薄膜的粒子又具有低硬度、耐高溫的特性，這就決定了納米二硫化鎢薄膜具有在特殊環(huán)境狀況下做為潤滑劑使用的功能。從二十世紀(jì)九十年代后期開始，納米二硫化鎢薄膜技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用于航空、精密儀器和特殊環(huán)境條件下的潤滑。

3 納米二硫化鎢薄膜的應(yīng)用

3.1 納米二硫化鎢薄膜應(yīng)用于新型潤滑領(lǐng)域

做為一種潤滑減磨材料，納米二硫化鎢做為固體潤滑材料中的一種，因其近乎完美的潤滑性能和良好的潤滑效果，而受到了科學(xué)界普遍的認(rèn)可。在空氣環(huán)境下,二硫化鎢可以在-270～650℃溫度范圍內(nèi)工作，但是在真空環(huán)境下,它可以在-188～1316℃范圍內(nèi)工作。也正是基于二硫化鎢的這一性能，長期以來它被美國宇航局用于航空、航天、軍事等環(huán)境條件比較復(fù)雜和惡劣領(lǐng)域的潤滑材料。然而，隨著現(xiàn)代社會材料科學(xué)的發(fā)展，二硫化鎢這種以往只能用于高、精、尖領(lǐng)域的潤滑作用的物質(zhì)開始逐漸廣泛用于民用的汽車工業(yè)。被稱為汽車工業(yè)血液的發(fā)動機(jī)油長期以來伴隨著汽車工業(yè)的進(jìn)步而不斷發(fā)展,據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國家消耗的發(fā)動機(jī)油的量是總潤滑油量的一半左右。隨著近些年來對環(huán)保和節(jié)能的要求日益嚴(yán)格,而傳統(tǒng)的礦物基發(fā)動機(jī)油非常容易污染環(huán)境，因此，全球大的石油公司都開始了對綠色發(fā)動機(jī)有的研制開發(fā)。而目前的綠色發(fā)動機(jī)油存在高溫環(huán)境下，基礎(chǔ)油極易被氧化，一旦被氧化，綠色發(fā)動機(jī)油便失去其本來的潤滑性能。所以，提高發(fā)動機(jī)油在高溫環(huán)境下的抗氧化性是綠色發(fā)動機(jī)油研制過程中的關(guān)鍵性問題。

至今為止,國內(nèi)外的科研工作者已做了大量的工作，致力于高溫抗氧劑的研究和改性基礎(chǔ)油的研制，主要的目的是提高綠色發(fā)動機(jī)油在高溫環(huán)境下的抗氧性能。另外，也有一部分科研人員研究將耐高溫固體潤滑材料添加到綠色發(fā)動機(jī)油中以提高發(fā)動機(jī)油在高溫環(huán)境下的使用壽命[12]。在這一方面做的比較成功的是美國PetrolMoly公司開發(fā)的PetrolMoly發(fā)動機(jī)油。這是一種新型的發(fā)動機(jī)油，它其中的有效成分是二硫化鉬固體潤滑顆粒。行車試驗(yàn)的結(jié)果表明,添加二硫化鉬的PetrolMoly發(fā)動機(jī)油比傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)油氮氧化物的排放量降低73%，并且提高了10%的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低油耗37%。這種添加二硫化鉬的發(fā)動機(jī)油被聯(lián)合國作為新技術(shù)、新產(chǎn)品向各成員國推薦，鼓勵(lì)作為新產(chǎn)品使用。而與鉬同為VIB族元素的鎢，具有與鉬相似的化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)比鉬擁有更穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和更重的質(zhì)量，而且，實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，二硫化鎢的抗氧化性和熱穩(wěn)定性比二硫化鉬更為優(yōu)越。這一發(fā)現(xiàn)促使國內(nèi)相當(dāng)多的科研人員開始了將二硫化鎢用于高溫潤滑脂的研究，并且已經(jīng)取得了可觀的成效[13]。

楊坤玉等在高性能綠色發(fā)動機(jī)油的研制過程中,為了延長綠色潤滑油的使用壽命和在極端環(huán)境條件下使用的可能性，而在綠色潤滑油中添加納米二硫化鎢粉末。從摩擦學(xué)性能方面來說，納米二硫化鎢對于基礎(chǔ)油減摩性能的提高非常有效，同時(shí)對極壓抗磨性能的提高也很有效，并且在高溫、腐蝕情況下，基礎(chǔ)油的抗磨損性能仍然保持的很好。而且，作為與二硫化鉬同類的固體潤滑材料,二硫化鎢在提高基礎(chǔ)油抗磨損性能方面，具有更有優(yōu)良效果[14]。另外，研究中還發(fā)現(xiàn)，隨著逐漸增加納米二硫化鎢量添加量，吸附膜將會逐漸變得更為致密完整，潤滑的效果也有變好的趨勢。在摩擦占據(jù)主導(dǎo)地位的高載荷下邊界，伴隨摩擦生熱的加快，納米二硫化鎢薄膜也呈現(xiàn)出了更高的活性，二硫化鎢在摩擦副表面的吸附層是實(shí)現(xiàn)減摩抗磨的主要原因。盡管，隨著納米二硫化鎢添加量的不斷，基礎(chǔ)油抗磨性能顯著提高，但是并不會無限制提高，當(dāng)添加量超過9.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，潤滑性能將會隨著納米二硫化鎢的碰撞聚集而產(chǎn)生相反的效果，即乳化液潤滑性能下降。

3.2 水基納米二硫化鎢薄膜在等溫模鍛中的應(yīng)用

等溫模鍛指的是在保持模具和工件處于等溫的情況下，依靠控制緩慢的成形速度，來達(dá)到模鍛成形的目的。研究顯示，在高溫環(huán)境下，工件的應(yīng)變速率變形比較緩慢，此時(shí)變形材料的結(jié)晶可以更為充分和徹底，這樣就能夠有效避免加工硬化的造成的不良影響[15]?？朔思庸び不膯栴}，那么具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及高強(qiáng)度的工件的加工變具有了可能性。然而，在進(jìn)行模鍛成形時(shí)，金屬流動會受到摩擦的阻礙，造成鍛壓載荷變大，變形能被消耗，工件組織將會出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，甚至模膛充型無法充分填充，以至于影響了模具使用周期，因此，在這個(gè)過程中，潤滑劑的使用尤為重要。市場上目前用于熱模鍛的潤滑劑一般都是石墨系潤滑劑，類型非常單一。在高溫情況下，石墨的潤滑性能比較好，但缺點(diǎn)是石墨的隔熱保溫性能非常不理想，因?yàn)樗菬岬牧紝?dǎo)體。另一方面，由于石墨不能很好的附著在金屬表面，這就極大的影響了這種潤滑劑用于等溫模鍛的可能性[16]。研究發(fā)現(xiàn)，二硫化鎢是一種層片狀固體潤滑材料，這一點(diǎn)與石墨的結(jié)構(gòu)類似，而且相比于石墨，二硫化鎢的抗極壓、耐高溫性能非常優(yōu)越，同時(shí)還能夠很好吸附于金屬表面，最重要的是二硫化鎢還是熱的不良導(dǎo)體。前面提到，美國水手號太空飛船最早應(yīng)用二硫化鎢用于其關(guān)鍵部位的潤滑，近些年來，一些極端條件下以及一些尖端工件的潤滑也開始逐步使用二硫化鎢薄膜潤滑，并且應(yīng)用的效果也非常好。石琛經(jīng)過研究研究合成了一種水基納米二硫化鎢薄膜潤滑劑，非常適合用于等溫模鍛。通過實(shí)驗(yàn)將這種節(jié)能環(huán)保的水基潤滑劑用于鋁合金的等溫模鍛工藝中，以制備出高強(qiáng)度鋁合金工件，獲得了非常好的效果。石琛所研制出的納米二硫化鎢顆粒是由微米級的二硫化鎢顆粒制成的，這種微米級顆粒又是通過多能場復(fù)合濕式法進(jìn)行粉碎的。這種納米二硫化鎢的結(jié)構(gòu)呈層片狀，粒徑處于40～300 nm范圍內(nèi)，而且粒徑平均為59 nm[17]。通過進(jìn)行高強(qiáng)度鋁合金工藝實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)納米薄膜潤滑劑可以吸附在磨具表面形成致密的吸附膜，顆粒分布較為均勻，通過對比發(fā)現(xiàn)，如果是石墨，那么形成吸附膜非常疏松。所以，將納米二硫化鎢薄膜制成水基潤滑劑，用于模鍛過程，具有環(huán)保、高效、油煙少的優(yōu)點(diǎn)，比現(xiàn)在的其它的潤滑劑的效果都要好。

4 結(jié)論

當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步發(fā)展，工作環(huán)境也日益復(fù)雜：超高溫、超低溫、高真空、高速或者大劑量輻射環(huán)境，這就對潤滑劑材料以及工件制備的質(zhì)量提出了更嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的潤滑油模鍛工藝無法達(dá)到要求，這就加速了潤滑油行業(yè)和模鍛工藝的發(fā)展。膜技術(shù)得以發(fā)展。納米二硫化鎢薄膜應(yīng)用于新型潤滑行業(yè)中，可以在延長潤滑油使用壽命的同時(shí)，提高了其應(yīng)用于極端條件下的可能性；在高溫模鍛中，這種材料具有成型好、制作工件均勻，以及綠色、高效的優(yōu)點(diǎn)。鑒于二硫化鎢薄膜具有如此優(yōu)異的性能，其應(yīng)用前景也是非常廣闊的。然而現(xiàn)在，在其制作的工藝上，不同的研究者技術(shù)千差萬別，各有千秋，因此未來大規(guī)模的工業(yè)化還需要一定的時(shí)間。

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(本文文獻(xiàn)格式：施凱烽，謝 鳳.納米二硫化鎢薄膜的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].山東化工,2017,46(5):59-60,62.)

Research Status About the Application of Nano-tungsten Disulfide Thin Films

ShiKaifeng,XieFeng

(Air Force Service College,Xuzhou 221000,China)

The nano-tungsten disulfide film which has a very excellent performance: stability physical and chemical properties,special conductivity,and special lubricating properties. That was used in the field of new lubrication,can resist the impact of harsh environment; and used in high-temperature die forging industry,can create a uniform workpiece material,which have good strength. Therefore,the nano-tungsten disulfide film has a very good application prospects,but large-scale industrialization also need a certain process.

nano;two tungsten sulfide thin film;application

2017-01-04

施凱烽(1993—)，男,浙江東陽人,在讀碩士研究生,主要從事航空油料應(yīng)用技術(shù)的研究工作。

TQ136.1+3

A

1008-021X(2017)05-0059-02