顫振環(huán)境MoS2/Ag薄膜碰撞滑動(dòng)接觸摩擦性能研究

杜晶濤 ,佟瑞庭* ,王云峰 ,權(quán)澤芬

(1.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省機(jī)電傳動(dòng)與控制工程實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710072;2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海 200436)

空間環(huán)境非常惡劣，航天設(shè)備在太空運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)受到各種空間環(huán)境因素的影響，如真空、微重力和高低溫?zé)嵫h(huán)等[1]，真空黏著效應(yīng)和微重力引起的空間擾動(dòng)導(dǎo)致的顫振作用對(duì)空間摩擦學(xué)提出了更高要求.Tong等[2-3]研究發(fā)現(xiàn)由空間顫振環(huán)境引起的碰撞運(yùn)動(dòng)不容忽略，通過增加碰撞速度會(huì)使摩擦力增加.為了解決空間顫振環(huán)境引起的高摩擦，固體潤(rùn)滑劑MoS2和Ag已廣泛應(yīng)用于航天器運(yùn)動(dòng)部件(如軸、軸承和齒輪等)用以改善潤(rùn)滑性能.軟金屬銀由于具有低剪切強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性的特點(diǎn)，在真空中展現(xiàn)出顯著的減摩抗磨效果[4].MoS2作為二維材料，其特殊的層狀結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的機(jī)械性能[5]和摩擦學(xué)性能[6-10].由于二維材料比金屬材料具有更優(yōu)異的機(jī)械性能，當(dāng)用作固體潤(rùn)滑劑時(shí)，可以明顯提高抗壓性能、潤(rùn)滑性能和真空防冷焊能力[11-12].單層MoS2的楊氏模量約為270 GPa，斷裂強(qiáng)度為30 GPa[13]，而結(jié)構(gòu)鋼的楊氏模量為205 GPa，斷裂強(qiáng)度僅為0.9 GPa，更高的彈性模量和斷裂強(qiáng)度可以使MoS2在斷裂前承受更高的載荷并減小摩擦[14].軟金屬和MoS2膜相結(jié)合形成的金屬基MoS2膜相較于單一成分潤(rùn)滑膜，其潤(rùn)滑性能、抗磨損性能及其使用壽命具有較大的提升[15].Liu等[16]、李浩等[17]和柴利強(qiáng)等[18]分別研究了MoS2/Pt復(fù)合薄膜、Pb-Ti/MoS2復(fù)合薄膜和MoS2+C+Ti薄膜的摩擦磨損性能，其結(jié)果均表明由于多組元之間的協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合薄膜比單一組分膜的摩擦性能和耐磨壽命均有較大提高.Torres等[19]研究了Ag/MoS2自潤(rùn)滑涂層的摩擦性能，由于Ag和MoS2的協(xié)同作用，Ag/MoS2涂層在300 ℃的真空中能有效潤(rùn)滑并將摩擦系數(shù)降至0.25.Qin等[20]研究發(fā)現(xiàn)，由于MoS2和Ag能從儲(chǔ)層中被擠出從而提供有效潤(rùn)滑，使得PEO/Ag/MoS2復(fù)合涂層在高溫下仍能保持良好的潤(rùn)滑性能.

本文中首先基于粗粒化分子動(dòng)力學(xué)(Coarse-grained molecular dynamics,CGMD)方法，以空間顫振環(huán)境為應(yīng)用背景，通過引入碰撞運(yùn)動(dòng)模擬含間隙鉸鏈機(jī)構(gòu)受到的空間擾動(dòng)，建立空間顫振環(huán)境碰撞滑動(dòng)接觸摩擦模型，對(duì)比分析純Ag和MoS2/Ag薄膜的摩擦性能，探究初始碰撞速度和滑動(dòng)速度對(duì)MoS2/Ag薄膜摩擦性能的影響.基于航天器所處空間溫度環(huán)境，研究不同溫度下MoS2/Ag薄膜的摩擦學(xué)性能.

1 顫振環(huán)境碰撞滑動(dòng)接觸模型和方法

1.1 模型簡(jiǎn)化

由于含間隙鉸鏈機(jī)構(gòu)在航天器上應(yīng)用廣泛，所以選用含間隙鉸鏈機(jī)構(gòu)來說明空間顫振環(huán)境的碰撞滑動(dòng)接觸問題.含間隙鉸鏈機(jī)構(gòu)由軸和孔組成，如圖1(a)所示，將其沿軸向剖開，孔簡(jiǎn)化為上基體和下基體，軸簡(jiǎn)化為圓柱體壓頭，含間隙鉸鏈機(jī)構(gòu)可等效為1個(gè)圓柱體壓頭在上、下基體之間做碰撞滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，如圖1(b)所示.在微重力環(huán)境下，當(dāng)摩擦副受到輕微擾動(dòng)時(shí)，軸會(huì)在孔內(nèi)發(fā)生無規(guī)則碰撞運(yùn)動(dòng)，并且由于空間微重力環(huán)境的影響，碰撞不會(huì)很快停止，即壓頭會(huì)在上、下基體之間反復(fù)碰撞反彈.由于鉸鏈機(jī)構(gòu)需要與其他組件連接，因此，壓頭與基體的碰撞會(huì)使得基體也跟著上下運(yùn)動(dòng).由于軸的碰撞速度垂直于接觸面，故碰撞速度沿z方向，并且軸在運(yùn)動(dòng)過程中也存在旋轉(zhuǎn)速度，其瞬時(shí)速度沿著接觸點(diǎn)的切線方向，將軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等效為壓頭沿基體表面的恒速滑動(dòng).因此根據(jù)含間隙鉸鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式可將其等效為圓柱體壓頭在上、下基體之間做無規(guī)則碰撞滑動(dòng)運(yùn)動(dòng).綜上所述，軸的運(yùn)動(dòng)可以認(rèn)為是滑動(dòng)過程和碰撞過程的耦合運(yùn)動(dòng)，以恒定的滑動(dòng)速度vs來表示軸的旋轉(zhuǎn)速度，以初速度v0來表示軸的擾動(dòng).

碰撞滑動(dòng)接觸過程如圖2所示，在此過程中，壓頭會(huì)經(jīng)歷接觸、壓入、反彈和分離等4個(gè)階段.首先，給壓頭在z方向施加-v0的初始碰撞速度，如圖2(a)所示，壓頭沿著-z方向運(yùn)動(dòng)并與下基體發(fā)生接觸碰撞，壓頭壓入下基體表面，由于上、下基體連接為1個(gè)整體，整個(gè)基體受到壓頭的碰撞力作用而在z方向上下振動(dòng).當(dāng)壓頭速度為0時(shí)，碰撞力達(dá)到最大值，壓頭的壓入深度達(dá)到最大，如圖2(c)所示，緊接著壓頭開始從基體上反彈.當(dāng)壓頭與下基體分離，且壓頭回到初始位置時(shí)，壓頭與下基體的碰撞滑動(dòng)接觸過程完成，如圖2(a～e)所示，至此，單次完整的碰撞過程完成.此時(shí)，在z方向施加碰撞速度v0，如圖2(e)所示，使壓頭與上基體發(fā)生碰撞滑動(dòng)接觸，當(dāng)壓頭從上基體反彈并與上基體分離，且壓頭回到初始位置時(shí)，壓頭與上基體的碰撞過程完成，如圖2(e～i)所示.至此，1次完整的壓頭與上、下基體碰撞過程完成，再次施加初始碰撞速度，循環(huán)完成碰撞滑動(dòng)接觸過程.當(dāng)1次碰撞過程完成時(shí)，反彈過程會(huì)使得壓頭朝反方向運(yùn)動(dòng)，碰撞滑動(dòng)接觸過程發(fā)生在另一側(cè)的基體上，緊接著是下次的接觸、壓入、反彈與分離過程.由于碰撞過程中存在能量損失，壓頭在碰撞回彈過程中因黏著作用不能分離時(shí)，則再重新施加初始碰撞速度，以此來描述微重力環(huán)境中的無規(guī)則連續(xù)碰撞與載荷擾動(dòng)情況.在整個(gè)碰撞過程中，壓頭以恒定的滑動(dòng)速度vs運(yùn)動(dòng).

Fig.1 The simplified model of collision sliding contacts圖1 碰撞滑動(dòng)接觸模型簡(jiǎn)化

Fig.2 The process of collision sliding contacts圖2 碰撞滑動(dòng)接觸過程

1.2 分子動(dòng)力學(xué)模型

為了減小計(jì)算量并保持系統(tǒng)的真實(shí)行為，采用CGMD來研究碰撞滑動(dòng)接觸問題.CGMD模型如圖3所示，該模型包含3個(gè)部分：上基體、下基體和圓柱壓頭.壓頭材料為體心立方晶格(BCC)的單晶鐵(Fe)，基體材料為面心立方晶格(FCC)的單晶銀(Ag)，由于銀為軟金屬，其硬度較小，易發(fā)生剪切變形，而鐵的硬度相對(duì)較大，故將壓頭設(shè)置為剛體，忽略其彈性變形.

上、下基體均由分子動(dòng)力學(xué)(Molecular dynamic，MD)粒子組成，為減小計(jì)算量，對(duì)壓頭進(jìn)行了粗?；幚恚趬侯^與基體接觸的部分使用MD粒子，而遠(yuǎn)離接觸的部分采用CGMD粒子.壓頭由MD、CGMD1和CGMD2三種粒子組成，將CGMD1和CGMD2粒子統(tǒng)稱為CGMD粒子.對(duì)于MD粒子，其為全原子模型，1個(gè)MD晶格就是1個(gè)真實(shí)的BCC結(jié)構(gòu)的Fe晶格；對(duì)于CGMD1粒子，為粗?；Ｐ?，1個(gè)CGMD1晶格等效于由8個(gè)BCC結(jié)構(gòu)的Fe晶胞組成的晶格，即1個(gè)CGMD1粒子的晶格邊長(zhǎng)等于MD晶格邊長(zhǎng)的2倍；對(duì)于CGMD2粒子，也為粗?；Ｐ停?個(gè)CGMD2晶格等效于由64個(gè)BCC結(jié)構(gòu)Fe晶胞組成的晶格，即1個(gè)CGMD2粒子的晶格邊長(zhǎng)等于MD晶格邊長(zhǎng)的4倍[2].

對(duì)應(yīng)于x、y與z方向，上、下基體尺寸均為466.26 ?×57.26 ?×73.62 ?.壓頭半徑為140.287 ?，壓頭由MD、CGMD1和CGMD2三種粒子組成，其中有27 580個(gè)MD粒子、3 840個(gè)CGMD1粒子和3 815個(gè)CGMD2粒子.基體由固定層、恒溫層和牛頓層三部分組成，將基體最底部和兩側(cè)的兩層原子設(shè)置為固定層，將固定層內(nèi)側(cè)的兩層原子設(shè)置為恒溫層，其余為牛頓層.為了研究MoS2/Ag薄膜的摩擦性能，在Ag上附著單層MoS2膜.MoS2/Ag薄膜模型共計(jì)290 983個(gè)原子，單層MoS2膜的尺寸為466.26 ?×57.26 ?×6.06 ?，計(jì)算過程的時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 ps.對(duì)于附著和不附著單層MoS2膜的純Ag，x、y與z方向上的尺寸均為466.26 ?×57.26 ?×73.62 ?.

模擬開始時(shí)，壓頭與上、下基體的間距相等.為了使壓頭原子不受Fe-S勢(shì)能的影響，壓頭上、下端原子與MoS2膜的距離要大于Fe-S勢(shì)能的截?cái)喟霃剑欢拚腞EBO勢(shì)函數(shù)的截?cái)喟霃綖?0 ?[21]，大于Fe-S勢(shì)能的截?cái)喟霃?，因此基于修正的REBO勢(shì)函數(shù)的截?cái)喟霃綄侯^與MoS2膜的間隙d設(shè)為15 ?.

考慮真實(shí)空間鉸鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將上、下基體連接為1個(gè)整體，并在上、下基體處各連接1根彈簧，用來表征鉸鏈機(jī)構(gòu)在微重力作用下的隨動(dòng)狀態(tài).彈簧的剛度系數(shù)k取決于與鉸鏈機(jī)構(gòu)連接的組件剛度，本文中將彈簧的剛度系數(shù)k設(shè)置為1 kN/m.

Fig.3 A CGMD model of the collision sliding contact圖3 碰撞滑動(dòng)接觸的粗?；肿觿?dòng)力學(xué)模型

本模型中共有六種原子，分別為Fe、Ag、Mo、S、CGMD1和CGMD2粒子.Ag原子之間作用力采用鑲嵌原子法(Embedded atom method，EAM)勢(shì)來描述.壓頭Fe和Ag原子(Fe-Ag)之間采用Morse勢(shì)，F(xiàn)e-Ag之間Morse勢(shì)函數(shù)參數(shù)分別為D0=0.3724 eV、α=1.3639 ?-1和r0=2.9879 ?[2]，其中D0為原子間結(jié)合能，α為材料參數(shù)，r0為原子的平衡距離.由于壓頭屬于剛體，其原子之間的相互作用力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小，故假設(shè)壓頭內(nèi)部原子之間的作用力為0，壓頭的CGMD粒子與其他原子的作用力也為0.壓頭Fe原子和MoS2膜S原子的相互作用力(Fe-S)、Fe原子和Mo原子的相互作用力(Fe-Mo)、Ag原子和S原子的相互作用力(Ag-S)以及Ag原子和Mo原子的相互作用力(Ag-Mo)使用L-J(Lennard-Jones)勢(shì)函數(shù)，這些L-J勢(shì)函數(shù)的參數(shù)是通過Lorentz-Berthelot (L-B)混合規(guī)則計(jì)算得到.L-B混合規(guī)則[22]的計(jì)算公式如下：

式中：εi和εj分別為原子i和j的能量參數(shù)，σi和σj分別為原子i和j的距離參數(shù).由L-B混合規(guī)則計(jì)算得到L-J勢(shì)函數(shù)的參數(shù)列于表1中.

表1 各個(gè)原子間L-J勢(shì)函數(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of Lennard-Jones (L-J)potential function between different atom

MoS2膜層內(nèi)原子之間的相互作用(S-S、Mo-Mo和Mo-S)采用修正的REBO勢(shì)函數(shù)[21]計(jì)算，其公式如下：

式中：Eb為系統(tǒng)的結(jié)合能，VR(rij)和VA(rij)分別為原子間排斥作用和吸引作用的函數(shù)，rij為原子i和原子j之間的距離，bij為鍵序函數(shù)，為截?cái)嗪瘮?shù)，Q、A、α、B和β是原子間相互作用參數(shù).

基體在x和z方向?yàn)楣潭ㄟ吔鐥l件，y方向?yàn)橹芷谛赃吔鐥l件.在碰撞滑動(dòng)接觸前，牛頓層和恒溫層的初始溫度設(shè)置為300 K，首先在NVT系綜里對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行弛豫，使牛頓層和恒溫層溫度控制在300 K，之后轉(zhuǎn)入NVE系綜，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，給壓頭施加碰撞速度和滑動(dòng)速度，開始碰撞滑動(dòng)接觸過程.分子動(dòng)力學(xué)模擬采用美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室的開源軟件LAMMPS進(jìn)行，相關(guān)的計(jì)算結(jié)果通過OVITO軟件進(jìn)行可視化處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 初始碰撞速度的影響

碰撞速度是顫振環(huán)境的重要參數(shù)之一，不同的碰撞速度會(huì)產(chǎn)生不同的壓入深度，而壓入深度會(huì)對(duì)碰撞滑動(dòng)接觸過程產(chǎn)生較大的影響.選取六組初始碰撞速度v0分別為20、60、100、140、180和200 m/s用以研究碰撞作用對(duì)MoS2/Ag薄膜摩擦性能的影響，壓頭滑動(dòng)速度設(shè)置為vs=40 m/s.

摩擦力是壓頭在滑動(dòng)反方向上受到的作用力，對(duì)整個(gè)模擬計(jì)算過程得到的摩擦力數(shù)據(jù)取平均值作為此工況下的平均摩擦力.圖4所示為純Ag和MoS2/Ag薄膜的平均摩擦力對(duì)比圖，在引入MoS2膜之后，碰撞滑動(dòng)接觸過程中的平均摩擦力顯著減小，對(duì)于純Ag表面，初始碰撞速度為140 m/s時(shí)平均摩擦力為35.29 nN，而在引入MoS2膜后平均摩擦力為9.32 nN，平均摩擦力減小了73.6%，由此可以看出MoS2/Ag薄膜在碰撞滑動(dòng)接觸過程中具有優(yōu)異的減摩效果，且無論是純Ag還是MoS2/Ag薄膜，平均摩擦力均隨著初始碰撞速度的增加而增加.

Fig.4 The average friction force under different initial collision velocities for bare Ag and MoS2 films圖4 不同初始碰撞速度下純Ag和MoS2/Ag薄膜的平均摩擦力

碰撞力是壓頭對(duì)基體在z方向的作用力，壓入深度指的是壓頭壓入基體的最大深度，本模擬中設(shè)置6次碰撞過程，每次碰撞過程會(huì)對(duì)應(yīng)1個(gè)最大碰撞力和最大壓入深度，分別取這6個(gè)值的平均值作為碰撞力和壓入深度.由于基體是FCC單晶銀，因此基體的理想結(jié)構(gòu)為FCC晶格結(jié)構(gòu)，壓頭與基體的碰撞會(huì)使基體原子發(fā)生相變，從而使部分原子晶體結(jié)構(gòu)失效，將這類原子定義為基體失效原子.壓頭與基體之間碰撞使得基體部分原子發(fā)生位錯(cuò)滑移，產(chǎn)生位錯(cuò)線.OVITO軟件位移提取算法(Dislocation extraction algorithm,DEA)用來統(tǒng)計(jì)基體在碰撞過程中產(chǎn)生的基體原子失效數(shù)目和位錯(cuò)線總長(zhǎng)度.本模擬中設(shè)置6次碰撞過程，每次碰撞過程會(huì)對(duì)應(yīng)一組失效原子數(shù)目和位錯(cuò)線，分別取六組值的平均值作為失效原子數(shù)目和基體位錯(cuò)線長(zhǎng)度.

圖5對(duì)比了純Ag和MoS2/Ag薄膜在不同初始碰撞速度下的碰撞力、壓入深度、碰撞過程中基體失效的原子數(shù)目和位錯(cuò)線長(zhǎng)度.由圖5可以看出，增大初始碰撞速度，碰撞力、壓入深度、失效原子數(shù)目和位錯(cuò)線長(zhǎng)度均會(huì)增加.基于能量守恒定律，壓頭碰撞速度越大，壓頭的動(dòng)能就會(huì)越大，壓頭與基體之間的碰撞更加劇烈，碰撞力就會(huì)增加，壓頭壓入基體的深度增加，使接觸面積增加，摩擦力的黏著分量增加.同時(shí)，劇烈的碰撞滑動(dòng)使得表層Ag原子從基體上去除，失效原子數(shù)目增多，壓頭前方堆積的原子增多，摩擦力的犁溝分量增加，壓頭接觸的Ag原子數(shù)目增多，阻礙了滑動(dòng)過程的進(jìn)行，使得碰撞滑動(dòng)接觸摩擦力增大.

層狀結(jié)構(gòu)二維材料由于其原子一般是通過較強(qiáng)的二維(或準(zhǔn)二維)化學(xué)鍵作用形成1個(gè)平面層，具有高面外強(qiáng)度和良好的表面化學(xué)穩(wěn)定性[23]，同時(shí)較高的比表面積使其很容易吸附在接觸表面上，阻止摩擦副直接接觸，所以表面潤(rùn)滑效果明顯.MoS2屬于二維材料，層內(nèi)原子之間通過較強(qiáng)的共價(jià)鍵連接，面外作用力較強(qiáng)，相較于軟金屬來說，MoS2具有較高的面外剛度.對(duì)于MoS2/Ag薄膜，由于在Ag表面附著了單層MoS2膜，如圖5所示，基體的載荷承受能力提高，壓頭與基體發(fā)生碰撞時(shí)壓入深度減小，Ag表面的失效原子數(shù)目和位錯(cuò)線長(zhǎng)度均減小，MoS2膜吸收了部分碰撞能量，使得碰撞力分散在接觸區(qū)域表面的每個(gè)原子上，提高基體的承載能力[24]，減小壓頭對(duì)基體的碰撞作用，有效保護(hù)基體免遭碰撞破壞.另一方面，當(dāng)壓頭從基體上完全分離時(shí)，對(duì)于純Ag表面，由于黏附力作用，壓頭上會(huì)黏附部分Ag基體原子，而對(duì)于MoS2/Ag薄膜，MoS2膜隔絕了壓頭與Ag之間的直接接觸，減小了壓頭與Ag之間的吸引力，這也從一定層面上解釋了附著MoS2膜后摩擦力減小的現(xiàn)象.

Fig.5 Contact force,indentation depth,number of failure atoms and dislocation length under different initial collision velocities for bare Ag and MoS2 films圖5 不同初始碰撞速度下純Ag和MoS2/Ag薄膜的碰撞力、壓入深度、失效原子數(shù)和位錯(cuò)線長(zhǎng)度

圖6和圖7分別為純Ag和MoS2/Ag薄膜在不同初始碰撞速度下的基體原子分布圖.其中綠色原子代表處于理想晶格結(jié)構(gòu)的原子，紅色原子代表位錯(cuò)原子，灰色原子代表邊界原子或晶格結(jié)構(gòu)被破壞的失效原子.如圖6所示，在Ag表面可以觀察到Ag原子堆積在壓頭前方，且壓頭運(yùn)動(dòng)方向前方堆積原子為失效原子，即壓頭與基體碰撞之后使得接觸區(qū)域原子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由理想的FCC轉(zhuǎn)化成HCP，Ag基體內(nèi)部晶體原子發(fā)生錯(cuò)排，在與壓頭接觸部位的基體下方和前方出現(xiàn)了位錯(cuò)，壓頭與基體之間相互擠壓使得接觸區(qū)域的失效原子被擠壓到壓頭前方，阻礙壓頭向前移動(dòng).

在碰撞滑動(dòng)接觸過程中，位錯(cuò)從基體碰撞接觸區(qū)域的原子中形核生長(zhǎng)，壓頭與基體接觸區(qū)域兩側(cè)不斷有滑移帶產(chǎn)生，且隨著壓深增大而擴(kuò)展變大.劇烈的碰撞使基體原子發(fā)生塑性變形，形成大量位錯(cuò)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時(shí)，晶格結(jié)構(gòu)被破壞，失效原子增多，壓頭前方堆積大量原子，阻礙碰撞滑動(dòng)接觸過程的進(jìn)行，使得摩擦力增加.對(duì)于純Ag基體，位錯(cuò)很容易運(yùn)動(dòng)到基體表面并釋放，造成基體表面Ag原子堆積(圖6).同時(shí)，當(dāng)初始碰撞速度較大時(shí)，Ag基體中位錯(cuò)遠(yuǎn)離碰撞接觸區(qū)域的時(shí)間減少，位錯(cuò)相互纏繞并發(fā)生堆積，位錯(cuò)間的彈性相互作用增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高基體材料的強(qiáng)度，起到強(qiáng)化作用[25]，因此摩擦力增大.

Fig.6 The atoms distribution of substrate for bare Ag under different initial collision velocities圖6 不同初始碰撞速度下的Ag基體原子分布

由圖7可以看出，對(duì)于MoS2/Ag薄膜，在Ag和MoS2薄膜界面上，位錯(cuò)很難釋放，MoS2膜阻礙了位錯(cuò)向表面釋放.由于MoS2膜的加入，Ag表面得到較好保護(hù)，位錯(cuò)形核困難，不利

Fig.7 The atoms distribution of substrate for MoS2/Ag films under different initial collision velocities圖7 不同初始碰撞速度下的MoS2/Ag薄膜原子分布

2

圖5

對(duì)比圖6和圖7可知，對(duì)于MoS2/Ag薄膜，MoS2膜在碰撞之后會(huì)發(fā)生變形，但壓頭前方?jīng)]有原子堆積.相較于純Ag，MoS2膜能夠有效保護(hù)基體免遭碰撞破壞，隔絕由碰撞導(dǎo)致的失效原子在壓頭前方堆積.在摩擦過程中，壓頭與基體之間的碰撞摩擦導(dǎo)致壓頭擠壓MoS2膜，從而使得MoS2膜發(fā)生面外變形，形成褶皺，而對(duì)于二維潤(rùn)滑材料，褶皺效應(yīng)是影響材料摩擦性能的主要因素[23].從圖7中可以看出，不同碰撞速度下，壓頭壓入深度不同，MoS2膜變形量不同.由于褶皺的存在，當(dāng)碰撞速度增加時(shí)，壓頭壓入深度增加，MoS2膜的彎曲變形量增加，壓頭與MoS2膜的接觸面積增大，并且褶皺主要集中于滑動(dòng)的前方，壓頭向前移動(dòng)時(shí)，褶皺會(huì)對(duì)壓頭產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力，使得壓頭滑動(dòng)能量勢(shì)壘增加，因此摩擦力增大.綜上所述，在Ag表面引入MoS2膜形成MoS2/Ag薄膜能夠有效減小摩擦力.

2.2 滑動(dòng)速度的影響

在納米尺度下，滑動(dòng)速度會(huì)影響基體表層原子變形、發(fā)熱及磨損等現(xiàn)象，進(jìn)一步對(duì)摩擦過程產(chǎn)生影響.為研究滑動(dòng)速度對(duì)MoS2/Ag薄膜摩擦性能的影響，選取不同滑動(dòng)速度，即20、40、60、80和100 m/s進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，模擬過程中初始碰撞速度均為100 m/s.

不同滑動(dòng)速度下MoS2/Ag薄膜的平均摩擦力如圖8所示，可以看出，增大滑動(dòng)速度會(huì)使平均摩擦力增大.在較大的滑動(dòng)速度下，當(dāng)壓頭壓入基體時(shí)，由于受到壓頭的擠壓、摩擦和剪切作用，碰撞接觸區(qū)域的原子發(fā)生變形，剪切區(qū)域的位錯(cuò)原子缺乏足夠的時(shí)間重新排列，大量原子在剪切區(qū)堆積，使得剪切區(qū)的原子密度增大，原子間相互作用力增加，平均摩擦力增加，這與Acikgoz等[26]通過原子力顯微鏡得到的結(jié)果一致.

Fig.8 Average friction force of MoS2/Ag under different sliding velocities圖8 不同滑動(dòng)速度下的MoS2/Ag薄膜平均摩擦力

碰撞滑動(dòng)接觸過程中不同滑動(dòng)速度對(duì)碰撞力和壓入深度的影響如圖9所示.由圖9(a)可以看出，當(dāng)滑動(dòng)速度從20 m/s增至100 m/s時(shí)，碰撞力基本保持不變.從圖9(b)可以看出，滑動(dòng)速度為20 m/s時(shí)，最大壓入深度為5.520 7 ?，滑動(dòng)速度為100 m/s時(shí)，壓入深度為5.476 6?，壓入深度基本維持在5.5 ?左右，不隨滑動(dòng)速度的變化而發(fā)生變化.不同滑動(dòng)速度下碰撞力基本相同，壓頭壓入深度也基本一致，說明滑動(dòng)速度對(duì)碰撞力和壓頭壓入深度幾乎沒有影響.當(dāng)壓頭初始碰撞速度相同時(shí)，碰撞動(dòng)能相同，因此碰撞力和壓頭壓入基體的深度幾乎相同，壓頭與基體碰撞滑動(dòng)接觸時(shí)間相同，但壓頭在基體上的滑動(dòng)距離與壓頭滑動(dòng)速度成正相關(guān)關(guān)系，較大的滑動(dòng)速度會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的滑動(dòng)距離，使得壓頭運(yùn)動(dòng)前方剪切區(qū)域堆積原子增多，摩擦力增大.

2.3 溫度的影響

高低溫是空間環(huán)境中的一大特點(diǎn)，由于空間環(huán)境為高真空環(huán)境，無大氣對(duì)流導(dǎo)熱，且航天器需要頻繁進(jìn)出地球陰影，易使?jié)櫥牧媳┞队跇O端溫度環(huán)境中.當(dāng)航天器面朝太陽時(shí)，其表面溫度可達(dá)473 K，而當(dāng)航天器背對(duì)太陽時(shí)，其表面溫度可達(dá)73 K[27]，同時(shí)航天器頻繁入影和出影需要空間潤(rùn)滑劑在大交變溫度環(huán)境中依然能夠保持良好的潤(rùn)滑性能.取600 K作為高溫用以研究MoS2/Ag薄膜在高溫環(huán)境中的摩擦性能，300、100和500 K分別對(duì)應(yīng)室溫、航天器所處空間環(huán)境的低溫和高溫.

Fig.9 Comparison of contact force and indentation depth under different sliding velocities圖9 不同滑動(dòng)速度下的碰撞力及壓入深度對(duì)比圖

由圖10可以看出，在100、150、300、400和500 K溫度環(huán)境下，摩擦力雖然略有變化波動(dòng)，但基本維持在7.47 nN左右，而當(dāng)溫度為600 K時(shí)，摩擦力急劇增大至9.975 nN，這說明在100～500 K溫度范圍內(nèi)，空間溫度對(duì)MoS2/Ag薄膜的摩擦性能影響很小，MoS2/Ag薄膜在此溫度范圍內(nèi)均具有較好的減摩效果，這與Meng等[28]的研究結(jié)果一致.由圖11可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為600 K時(shí)，MoS2膜出現(xiàn)了破裂，壓頭和基體之間直接接觸，摩擦性能降低，這與文獻(xiàn)[24,28]的研究結(jié)果一致.單層MoS2膜破裂后發(fā)生重疊，這意味著MoS2膜的抗壓作用降低，對(duì)基體的保護(hù)作用隨之下降，使其摩擦性能降低.圖12為壓頭與基體碰撞過程中的溫度分布圖，其中1 234.93 K為金屬Ag的熔點(diǎn).由圖12(a)可以看出，壓頭壓入基體時(shí)，接觸區(qū)域摩擦生熱產(chǎn)生高溫，局部高溫使得基體的Ag部分發(fā)生熔化，MoS2膜與熔化的Ag之間產(chǎn)生較大的黏著作用力，同時(shí)，接觸區(qū)域局部高溫破壞了單層MoS2膜的結(jié)構(gòu)，使得壓頭在分離階段直接撕裂MoS2膜，如圖12(b)所示.

Fig.10 Average friction forces of MoS2/Ag film under different temperature圖10 不同溫度下MoS2/Ag薄膜的平均摩擦力

3 結(jié)論

a.相較于純Ag，MoS2/Ag薄膜表現(xiàn)出更為優(yōu)異的摩擦性能，由于在Ag上附著了MoS2膜，摩擦力有較大的降低.MoS2膜的高比表面積和面外強(qiáng)度使得MoS2膜吸收了部分碰撞能量，提高了基體的載荷承載能力，減小了壓頭對(duì)基體的碰撞作用，從而賦予MoS2/Ag薄膜優(yōu)異的摩擦學(xué)性能.

Fig.11 The shape of MoS2 film at 600 K圖11 溫度600 K時(shí)MoS2膜狀態(tài)

Fig.12 Temperature distribution during collision separation of MoS2/Ag film圖12 碰撞分離過程中MoS2/Ag薄膜的溫度分布圖

b.初始碰撞速度對(duì)純Ag和MoS2/Ag薄膜摩擦性能均有較大影響，摩擦力均隨著初始碰撞速度的增大而增大，較高的初始碰撞速度會(huì)引發(fā)更為劇烈的碰撞，初始碰撞速度的增大致使壓頭壓入深度增加、壓頭接觸的基體原子數(shù)增多、實(shí)際接觸面積增加以及碰撞滑動(dòng)摩擦力增加.

c.MoS2/Ag薄膜的摩擦力隨著滑動(dòng)速度的增加而增加，在較大的滑動(dòng)速度下，剪切區(qū)的位錯(cuò)原子沒有足夠的時(shí)間重新排列，大量原子堆積在剪切區(qū)，增大了剪切區(qū)的原子密度，加劇了原子間的相互擠壓和摩擦，進(jìn)而增大摩擦力.

d.MoS2/Ag薄膜在100～500 K溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的摩擦性能，當(dāng)環(huán)境溫度為600 K時(shí)，MoS2膜在碰撞過程中由于接觸區(qū)域局部溫度過高而使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致摩擦性能降低.

e.MoS2/Ag薄膜具有良好的減摩性能，在實(shí)際的空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以考慮將MoS2/Ag薄膜引入到含間隙鉸鏈機(jī)構(gòu)的摩擦副中，通過磁控濺射技術(shù)在空間機(jī)構(gòu)摩擦件表面先濺射Ag薄膜，再濺射MoS2薄膜，形成MoS2/Ag薄膜，改善空間機(jī)構(gòu)的摩擦性能.