MoS2基復(fù)合薄膜真空高溫摩擦學(xué)性能及其機(jī)理研究

王 茹,李紅軒,吉 利,劉曉紅*,孫初鋒

(1.西北民族大學(xué)化工學(xué)院環(huán)境友好復(fù)合材料國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730030;2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000)

隨著航天裝備的發(fā)展，大量運(yùn)動(dòng)部件需要在真空、原子氧和高低溫(如?200～300℃)極端環(huán)境下服役.高低溫是空間環(huán)境的一大特點(diǎn)，由于空間環(huán)境為高真空環(huán)境，無(wú)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)境下.當(dāng)航天器面臨太陽(yáng)時(shí)其表面溫度可達(dá)200℃，而當(dāng)航天器背臨大陽(yáng)時(shí)，其表面溫度可達(dá)?200℃[1].為了維持航天器驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)部件在高真空及較高溫度環(huán)境中的平穩(wěn)運(yùn)行，通常對(duì)其采用潤(rùn)滑處理.液體潤(rùn)滑劑在真空、高溫以及高載下，容易發(fā)生變化，從而限制了其在空間高溫應(yīng)用[2].而固體潤(rùn)滑劑因其較為穩(wěn)定的性能、不易揮發(fā)和較高承載等一系列的優(yōu)點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的工況條件及極端環(huán)境發(fā)揮良好的潤(rùn)滑性能，而被廣泛應(yīng)用于航天裝備.在寬溫域范圍內(nèi)具有連續(xù)潤(rùn)滑功能和良好的耐磨性是高溫固體潤(rùn)滑材料在工程技術(shù)上應(yīng)用的基本要求[3].

以MoS2為代表的二硫?qū)倩衔?MS2,M=Mo、W等)因其具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能在固體潤(rùn)滑劑中脫穎而出，并在航天和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用.MoS2具有六方層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間具有較低的范德華力，在低剪切力的作用下，層與層之間發(fā)生相對(duì)滑移，能夠作為優(yōu)良的潤(rùn)滑劑而被應(yīng)用于高真空以及干燥環(huán)境中[4].然而，MoS2在高溫環(huán)境下容易發(fā)生氧化，研究者采用熱重分析MoS2的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)其在360℃開(kāi)始熱分解成MoO3和SO2，摩擦學(xué)性能隨之下降[5].因此，受高溫下不良氧化的影響，理論上MoS2僅能在溫度300℃以下使用.

近年來(lái)，為改善MoS2的環(huán)境適應(yīng)性，拓寬MoS2的應(yīng)用范圍，研究者做了大量的工作.研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻雜其他物質(zhì)可以提高M(jìn)oS2的摩擦學(xué)性能，如摻雜金屬(Ti、Cr、Au、 Ni、Al、Nb、Pb等)[6-12]、非金屬(C、Te、N、Si等)[13-16]以及化合物(WS2、LaF3、TiN、TiB2等)[5,17-21]，通過(guò)摻雜元素或者化合物可以將其優(yōu)異的性質(zhì)與二硫化鉬的性質(zhì)相結(jié)合，能夠使復(fù)合薄膜具有更加廣泛的應(yīng)用性.如Ti作為摻雜元素的MoS2-Ti復(fù)合薄膜呈非晶結(jié)構(gòu)，致密性增加，承載能力也增強(qiáng)，而且在大氣和真空下均具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能；Au摻雜的MoS2薄膜具有優(yōu)異的耐空間輻照性能，提升了MoS2薄膜在空間的使用壽命；LaF3摻雜的二硫化鉬薄膜結(jié)構(gòu)致密，適量的摻雜可使耐磨壽命提升兩倍.這些元素的摻雜拓展了二硫化鉬薄膜的應(yīng)用范圍，但對(duì)于空間環(huán)境真空寬溫域的潤(rùn)滑需求，還需要進(jìn)一步研究以提高空間飛行器的可靠性和長(zhǎng)壽命運(yùn)轉(zhuǎn)需求.

TiB2是典型的陶瓷材料，具有高硬度、耐高溫、耐摩擦以及耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[22].在以往的研究中發(fā)現(xiàn)Ti作為薄膜的過(guò)渡層可以增強(qiáng)薄膜與基底之間的結(jié)合能力；同時(shí)，作為摻雜元素，Ti可以?xún)?yōu)先與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成TiO2從而保護(hù)薄膜不被氧化[23]，但其在高溫下的潤(rùn)滑性不佳[24].為了改善MoS2薄膜在真空高溫環(huán)境下的適應(yīng)性，基于Ti與TiB2的優(yōu)異性能，本研究中選用Ti與TiB2作為摻雜物質(zhì)，通過(guò)閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射技術(shù)分別制備MoS2-Ti、MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜以及純MoS2薄膜，對(duì)比研究三種薄膜在25～300℃溫度范圍內(nèi)的真空摩擦學(xué)性能，分析復(fù)合元素對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的影響以及摩擦前后薄膜結(jié)構(gòu)的變化，探討摩擦磨損機(jī)理，為MoS2基復(fù)合薄膜在真空高溫下的應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)部分

1.1 薄膜的制備

薄膜制備采用閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射系統(tǒng)，該沉積系統(tǒng)具有4個(gè)對(duì)稱(chēng)放置的濺射靶，兩個(gè)MoS2靶(安裝在相對(duì)的靶位)、1個(gè)TiB2靶以及1個(gè)Ti靶.選用304不銹鋼鏡面拋光圓片為基體，分別用乙醇和丙酮超聲清洗20 min，然后使用高純氮?dú)鈱⑵浔砻娲蹈?，以除去樣品表面的油污以及粉塵等雜質(zhì)，最后將處理完的基底裝夾在鍍膜機(jī)的腔室中的旋轉(zhuǎn)架上.鍍膜過(guò)程包括：(1)Ar 離子刻蝕清洗，使用真空泵將本底真空度抽至4.0×10?4Pa以下，通入30 sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘)的Ar，在基板上施加?500 V的偏壓，利用輝光放電進(jìn)行刻蝕，進(jìn)行40 min的Ar+刻蝕；(2)沉積Ti過(guò)渡層，調(diào)偏壓至?80 V，開(kāi)Ti靶直流濺射電源控制電流為4.0 A,在基底表面沉積厚度約為200 nm Ti過(guò)渡層；(3)沉積MoS2基薄膜，根據(jù)所要制備的薄膜選擇關(guān)閉或者打開(kāi)相應(yīng)的濺射靶電源,沉積時(shí)間為2 h，制備相應(yīng)復(fù)合薄膜.具體沉積參數(shù)和薄膜成分列于表1中.

表1 三種MoS2基薄膜沉積參數(shù)和成分組成Table 1 Deposition parametersand composition of thethree MoS2-based films

1.2 試驗(yàn)方法

用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)研究三種薄膜表面和截面的顯微形貌；采用FEI Heliosnanolab600型聚焦離子束(FIB)加工系統(tǒng)制備透射電子顯微鏡(TEM)樣品,利用FEITecnai G2TF20FE-TEM型高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)分析薄膜結(jié)構(gòu)；用德國(guó)Bruker 公司的X 射線衍射儀(XRD)分析了沉積薄膜的結(jié)構(gòu)，掃描范圍為10°～ 80°,Cu Ka射線，加速電壓40 kV，電流40 mA，掠射角1°；利用CSM NHT2納米壓痕儀測(cè)試薄膜的納米硬度和彈性模量，每個(gè)樣品測(cè)量5次，取其平均值，為了能夠更好地減少基底對(duì)結(jié)果的影響，控制最大壓痕深度在薄膜總厚度的10%左右.

采用HVTRB真空高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行真空環(huán)境下的不同溫度摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為旋轉(zhuǎn)半徑18 mm，旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min，載荷5 N，摩擦?xí)r間2 h，溫度分別為25、100、200和300℃.所有的摩擦試驗(yàn)均采用直徑為6 mm的GCr15鋼球作為摩擦副，真空試驗(yàn)均在真空(氣壓低于4×10?3Pa)條件下進(jìn)行.摩擦測(cè)試后，用表面輪廓儀測(cè)量薄膜磨痕深度剖面，通過(guò)K=V/(F·S)公式計(jì)算薄膜的磨損率，其中，V是磨損體積(mm3)，F(xiàn)是載荷(N)，S是滑動(dòng)總距離(m).

采用光學(xué)顯微鏡(Olympus,STM6)觀察磨痕與磨斑形貌；采用拉曼光譜儀(Raman,RENISHAW in Via Raman Microscope,532 nm)分析薄膜原始薄膜表面和摩擦過(guò)后對(duì)偶球磨斑的微觀結(jié)構(gòu)以及組成變化；采用聚焦離子束(FIB)加工系統(tǒng)制備TEM 樣品，利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)分析摩擦過(guò)后薄膜磨痕以及摩擦副磨斑的結(jié)構(gòu)變化，并且使用配合相配套的能譜儀對(duì)薄膜材料中的各種元素進(jìn)行元素的面掃，確定元素的分布情況；采用二次飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOFSIMS 5 iontof，PHI Nano TOFII)對(duì)磨痕進(jìn)行1 000 s的深度剖析，分析磨痕中各元素的分布.

2 結(jié)果及討論

2.1 薄膜結(jié)構(gòu)和成分分析

利用XPS測(cè)得MoS2-Ti和MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜組成，其中MoS2-Ti薄膜中Ti原子分?jǐn)?shù)大約為7.6%，MoS2-Ti-TiB2薄膜中Ti原子分?jǐn)?shù)大約為9.16%，B原子分?jǐn)?shù)大約為3.8%，并列于表1中.

圖1(a)所示為純MoS2薄膜、MoS2-Ti和MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜的XRD譜圖.純MoS2薄膜的XRD圖中在13°、33°和59°出現(xiàn)了衍射峰，分別對(duì)應(yīng)MoS2的(002)、(100)和(110)晶面.(100)衍射峰的強(qiáng)度最大，表明純MoS2薄膜是以基面(002)和棱面(100)與基底表面成隨機(jī)取向生長(zhǎng)，也稱(chēng)為棱面取向膜[25].MoS2-Ti薄膜中(100)和(110)衍射峰強(qiáng)度顯著下降，而(002)衍射峰強(qiáng)度增加，表明Ti復(fù)合化使MoS2以基面(002)平行于基底表面生長(zhǎng)(基面取向膜)[26].MoS2-Ti-TiB2多元復(fù)合薄膜XRD圖譜中(002)、(100)和(110)晶面衍射峰消失，僅在30°～50°之間出現(xiàn)明顯的突起包峰而無(wú)其他的衍射峰，在30°到50°之間的彌散峰來(lái)自于S-Mo-S層的隨機(jī)堆垛，說(shuō)明制備復(fù)合薄膜為非晶結(jié)構(gòu)[27].這主要是由于Ti和TiB2阻礙了MoS2晶核形成使之重新生長(zhǎng)排布[28]，呈現(xiàn)非晶狀態(tài).此外，在XRD譜圖中均未檢測(cè)到Ti以及TiB2信號(hào)，其原因可能是其含量較低或者是以固溶形式存在[29].

圖1(b)所示為三種薄膜的Raman 光譜.圖中位于380～420 cm?1之間的兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)的是MoS2[15,30-31]，820和990 cm?1左右對(duì)應(yīng)的峰是MoO3[32-33].進(jìn)行Raman測(cè)試時(shí)，波長(zhǎng)為532 nm的激光照射到薄膜表面，會(huì)導(dǎo)致薄膜發(fā)生氧化，因此三種薄膜的Raman 光譜中均出現(xiàn)了MoO3的峰.但是，從MoO3峰強(qiáng)來(lái)看，純MoS2薄膜中MoO3峰最強(qiáng)，MoS2-Ti薄膜中次之，MoS2-Ti-TiB2薄膜中最弱.這表明純MoS2薄膜很容易氧化形成MoO3，而MoS2-Ti-TiB2薄膜不容易氧化.

Fig.1(a)XRD patternsand (b)Raman patternsof pure MoS2,MoS2-Tiand MoS2-Ti-TiB2 Composite films圖1純MoS2、MoS2-Ti和MoS2-Ti-TiB2三種薄膜的(a)XRD圖譜和(b)Raman圖譜

Fig.2 SEM micrographs of surface and cross-sectional morphology of three filmsof(a,d) pure MoS2,(b,e)MoS2-Tiand (c,f)MoS2-Ti-TiB2圖2(a,d)純MoS2、(b,e)MOS2-Ti、(c,f)MOS2-Ti-TiB2三種薄膜的表面與截面形貌的SEM照片

圖2 所示為三種薄膜表面以及截面形貌的FESEM照片.純MoS2薄膜表面為疏松的蠕蟲(chóng)狀結(jié)構(gòu).MoS2-Ti復(fù)合薄膜表面由顆粒聚集組成，表面較為致密光滑.特別是MoS2-Ti-TiB2，表面更加致密光滑.因此，采用元素復(fù)合的方法可以顯著改善MoS2薄膜的致密性，多元復(fù)合表現(xiàn)出更佳的效果.從圖2(d～f)中薄膜的截面形貌照片中可以看到三種薄膜均呈現(xiàn)柱狀生長(zhǎng)，但是純MoS2薄膜柱狀結(jié)構(gòu)很疏松，復(fù)合后柱狀結(jié)構(gòu)變得更加致密.同時(shí)，薄膜與基底之間有清晰明顯Ti過(guò)渡層，并且不管是Ti過(guò)渡層與基底還是與復(fù)合薄膜之間均呈現(xiàn)緊密相連沒(méi)有明顯的間隙，說(shuō)明薄膜與基底結(jié)合較好.

圖3是MoS2-Ti和MoS2-Ti-TiB2兩種復(fù)合薄膜截面FIB-TEM照片.從圖3(a)和圖3(c)可以清晰地觀察到兩種復(fù)合薄膜截面均為致密的柱狀結(jié)構(gòu).對(duì)截面進(jìn)行高分辨分析發(fā)現(xiàn)，MoS2-Ti薄膜結(jié)構(gòu)中分布著少量彼此分離的晶格條紋，晶面間距為0.65 nm，是典型的MoS2納米晶相[圖3(b)][34].而MoS2-Ti-TiB2薄膜結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出完全的無(wú)定型非晶結(jié)構(gòu)[圖3(d)]，主要由緊密堆積的顆粒狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成.Ti和TiB2或以固溶的形式存在于非晶MoS2薄膜中[29]，這與XRD圖譜結(jié)果一致.

Fig.3 FIB-TEM micrographsof cross-sectionsof composite films:(a)cross-sectional transmission micrograph of MoS2-Ti film;(b)high magnification cross-sectional micrograph of MoS2-Tifilm;(c)cross-sectional transmission micrograph of MoS2-Ti-TiB2 film;(d) high magnification cross-sectional micrograph of MoS2-Ti-TiB2 film 圖3復(fù)合薄膜截面FIB-TEM照片：(a)MoS2-Ti薄膜截面透射照片；(b)MoS2-Ti薄膜高倍截面形貌；(c)MoS2-Ti-TiB2薄膜截面透射照片；(d)MoS2-Ti-TiB2薄膜高倍截面形貌

表2所列為三種薄膜的硬度(H)、彈性模量(E)和相關(guān)力學(xué)性能分析.純MoS2薄膜的硬度僅為0.3 GPa，彈性模量也僅為28.2 GPa.Ti復(fù)合后薄膜的硬度提高到3.6 GPa，彈性模量提高到84.1 GPa.Ti和TiB2多元復(fù)合后薄膜的硬度進(jìn)一步提高到4.5 GPa，但彈性模量為80.4 GPa，反而低于MoS2-Ti薄膜的彈性模量.這可能是由于TiB2是典型的硬質(zhì)陶瓷材料，具有硬度高和脆性大的特點(diǎn).研究表明，復(fù)合薄膜致密的結(jié)構(gòu)一方面可防止其吸附氧氣，阻止其氧化失效,另一方面可以提高其力學(xué)性能[35].H/E的大小可以反映薄膜的抗磨損性能，較高的H/E比值說(shuō)明薄膜有著較好的抗磨損能力.H3/E2的比值反映了薄膜抗塑性變形能力的強(qiáng)弱，薄膜H3/E2的比值越大，則薄膜的抗塑性變形能力越強(qiáng)[36-37].可以看出，MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜不僅具有高的H/E值，而且具有較高的H3/E2比值，可以預(yù)判出其有較好的抗磨損性能和抗塑性變形能力.

2.2 薄膜摩擦學(xué)性能

圖4所示為純MoS2薄膜、MoS2-Ti和MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜在真空中25、100、200和300℃下的摩擦曲線和對(duì)應(yīng)的磨損率.純MoS2薄膜在不同溫度條件下很快失效，壽命很短[圖4(a)]，這主要與其疏松的結(jié)構(gòu)和較差的力學(xué)性能有關(guān).MoS2-Ti薄膜在真空室溫環(huán)境下具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，摩擦系數(shù)低至0.018，磨損率低至3.9×10?7mm3/(N·m).但隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)和磨損率都升高.特別是當(dāng)溫度達(dá)到200和300℃時(shí)，磨損壽命分別降低至6 800 s和1 800 s.對(duì)于MoS2-Ti復(fù)合薄膜來(lái)說(shuō)，在200℃時(shí)，薄膜表面與腔室中殘存的氧氣反應(yīng)生成MoO3，隨著摩擦的進(jìn)行，薄膜失效；當(dāng)測(cè)試溫度升至300℃時(shí)，腔室中殘余的氧氣與薄膜反應(yīng)速度增加，迅速生成MoO3，導(dǎo)致薄膜磨損壽命顯著下降.

表 2三種MoS2基薄膜的機(jī)械性能Table 2 Mechanical properties of the three MoS2-based films

Fig.4 Friction curvesand corresponding wear ratesof threefilmsat different temperatures in vacuum:(a) pure MoS2 film;(b)MoS2-Ti film;(c)MoS2-Ti-TiB2 film;(d)wear rate圖4三種薄膜的在真空環(huán)境中不同溫度下的摩擦曲線與所對(duì)應(yīng)磨損率：(a)純MoS2薄膜；(b)MoS2-Ti薄膜；(c)MoS2-Ti-TiB2薄膜；(d)磨損率

隨著測(cè)試溫度從室溫升至300℃，MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜的摩擦系數(shù)從0.018升高到0.052，磨損率從5.2×10?7mm3/(N·m)升高到12.8×10?7mm3/(N·m).MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜盡管在室溫下磨損率高于MoS2-Ti薄膜，但是在25～300℃全溫度范圍內(nèi)都保持了低的摩擦系數(shù)和磨損率，全溫域摩擦學(xué)性能顯著優(yōu)于純MoS2和MoS2-Ti薄膜.因此，采用Ti與TiB2復(fù)合可以顯著提高M(jìn)oS2基薄膜在真空環(huán)境中的高溫摩擦學(xué)性能.

圖5所示為MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜經(jīng)過(guò)真空不同溫度摩擦后鋼球磨斑、薄膜磨痕和磨痕三維形貌圖.在低溫下(25和100℃)，鋼球表面轉(zhuǎn)移膜疏松，薄膜磨痕存在明顯的犁溝，以磨粒磨損為主.這可能是由于低溫下難以形成致密的轉(zhuǎn)移膜，薄膜中的TiB2硬質(zhì)顆粒在摩擦界面以磨粒存在，產(chǎn)生磨粒磨損.高溫下(200和300℃)，鋼球表面轉(zhuǎn)移膜變得致密，薄膜磨痕表面比較光滑，以擦傷為主.但是，在高溫下，磨痕深度增加，說(shuō)明高溫下薄膜磨損率升高.

為了探明MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜的高溫摩擦機(jī)理，對(duì)MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜在真空300℃下摩擦后的薄膜磨痕和鋼球磨斑進(jìn)行FIB制樣，并做HRTEM表征，觀察分析摩擦界面微觀結(jié)構(gòu)變化，如圖6和圖7所示.從圖6可以看出，高溫摩擦后薄膜整體結(jié)構(gòu)仍保持非晶結(jié)構(gòu)[圖6(a)]，在最表層摩擦界面處形成了大量有序的平行晶格條紋，晶面間距為0.65 nm，對(duì)應(yīng)的是MoS2的(002)晶面[圖6(c)][34].從圖7所示的鋼球磨斑形貌照片和元素分析可以看出，高溫摩擦過(guò)程中，MoS2和Ti轉(zhuǎn)移到鋼球表面，形成了致密的MoS2-Ti轉(zhuǎn)移膜[圖7(d)].在轉(zhuǎn)移膜中存在大量有序的平行于滑動(dòng)方向的MoS2的(002)晶面條紋.因此，摩擦是發(fā)生在MoS2(002)與MoS2(002)晶面之間，磨痕表面光滑，以擦傷和層間轉(zhuǎn)移剝落為主[圖5(d)].

無(wú)論在薄膜磨痕還是鋼球磨斑中，都沒(méi)有觀察到B元素，可能是由于B元素較輕且含量較少，采用能譜儀無(wú)法測(cè)出.為了探明B元素的影響，進(jìn)一步采用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)對(duì)薄膜磨痕中的元素進(jìn)行分析，如圖8所示.可以看出，隨著濺射時(shí)間的增加，即濺射深度的增加，磨痕處B元素的顯示強(qiáng)度先降低再升高，而同時(shí)其他元素均先升高后處于基本平衡的狀態(tài)，從中可以檢測(cè)到B元素的存在.從其磨痕內(nèi)部拍攝的三維圖像看出，B元素的強(qiáng)度較弱，更多地存在于磨痕中心處.可以說(shuō)明在摩擦過(guò)程中，B元素可能與Ti一同對(duì)薄膜起到支撐以及抗氧化的作用，保護(hù)MoS2不被破壞.

Fig.5(a1～d1)steel ball wear scars,(a2～d2)film wear scarsand (a3～d3)3D morphology of wear scarscorresponding to MoS2-Ti-TiB2 compositefilmsafter friction at different temperaturesin vacuum圖5 MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜在真空不同溫度下摩擦后對(duì)應(yīng)的(a1～d1)鋼球磨斑、(a2～d2)薄膜磨痕和(a3～d3)磨痕三維形貌圖

Fig.6 FIB-HRTEM micrographs of film wear tracks of MoS2-Ti-TiB2 composite film after rubbing at 300℃ under vacuum圖6 MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜在真空300℃下摩擦后薄膜磨痕FIB-HRTEM照片

本文中的研究表明，相較于純MoS2薄膜和單元Ti元素?fù)诫s的MoS2-Ti復(fù)合薄膜，通過(guò)金屬Ti和陶瓷TiB2多元摻雜制備的MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜在真空中25～300℃全溫度范圍內(nèi)都具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能.通過(guò)分析，主要機(jī)制可能包括以下3個(gè)方面：(1)Ti和TiB2多元復(fù)合化使薄膜為致密的非晶結(jié)構(gòu)，阻止了氧在薄膜中的擴(kuò)散和氧化，有效提高薄膜的耐高溫性能.(2)摩擦過(guò)程中由于在摩擦力剪切作用，薄膜滑動(dòng)界面由非晶結(jié)構(gòu)變?yōu)橛行虻腗oS2(002)晶面結(jié)構(gòu).同時(shí)MoS2轉(zhuǎn)移到鋼球表面，形成致密的轉(zhuǎn)移膜，轉(zhuǎn)移膜是由大量平行于滑動(dòng)方向的MoS2(002)晶面組成.因此，摩擦實(shí)際上是發(fā)生在MoS2(002)與MoS2(002)晶面之間，使得薄膜具有較低的摩擦系數(shù).(3)陶瓷TiB2具有較高的硬度和耐溫性能，摻雜到薄膜中也會(huì)提高薄膜的硬度和耐高溫性能，使得薄膜在25～300℃全溫度范圍內(nèi)都具有較長(zhǎng)的摩擦壽命.當(dāng)然，未來(lái)需要開(kāi)展深入研究，優(yōu)化TiB2含量和制備工藝，以期進(jìn)一步提高M(jìn)oS2基復(fù)合薄膜使用溫度和高溫摩擦學(xué)性能，同時(shí)更加明確TiB2的協(xié)同作用機(jī)制.

3 結(jié)論

a.采用多靶非平衡磁控濺射技術(shù)制備的純MoS2薄膜以(002)和(100)晶面取向生長(zhǎng)，呈現(xiàn)疏松的蠕蟲(chóng)狀結(jié)構(gòu)，硬度低，導(dǎo)致薄膜在真空不同溫度下摩擦壽命很短.

Fig.7(a～c)FIB-HRTEM micrographsof MoS2-Ti-TiB2 compositefilmsafter friction at 300°Cin vacuum;(d)elemental surface distribution圖7(a～c)MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜在真空300℃下摩擦后鋼球磨斑FIB-HRTEM照片；(d)表面元素分布圖

Fig.8 Depth profile of film abrasion marks after rubbing MoS2-Ti-TiB2 composite films under vacuum at 300℃( TOF-SIMS)圖8 MoS2-Ti-TiB2復(fù)合薄膜在真空300℃下摩擦后薄膜磨痕深度剖析(TOF-SIMS)

b.MoS2-Ti薄膜中Ti元素復(fù)合后薄膜以致密的非晶結(jié)構(gòu)為主，存在少量的MoS2(002)納米晶，硬度升高.在25和100℃低溫下表現(xiàn)出低的摩擦系數(shù)和磨損率，當(dāng)溫度達(dá)到200℃以上時(shí)，摩擦壽命急劇降低.

c.Ti和TiB2多元復(fù)合制備的MoS2-Ti-TiB2薄膜呈現(xiàn)完全非晶結(jié)構(gòu)，摩擦過(guò)程中滑動(dòng)界面形成了有序的MoS2(002)晶面結(jié)構(gòu)，使得薄膜在25～300℃全溫度范圍內(nèi)保持了低的摩擦系數(shù)和磨損率.低溫下薄膜以磨粒磨損為主，高溫下以擦傷為主.后期需要進(jìn)一步優(yōu)化TiB2含量并深入探討其高溫摩擦機(jī)理.