MoS2 對(duì)樹脂基器件耐磨層改性的研究

王云飛， 孟銀娜， 高志廷

(1.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院智能工程學(xué)院， 河南 鄭州 451191；2.洛陽(yáng)鷹揚(yáng)機(jī)電科技有限公司， 河南 洛陽(yáng) 457000)

0 前 言

酚醛樹脂被廣泛應(yīng)用于家用電器、打印材料，能代替部分金屬。 但是樹脂的耐熱性和耐磨性差，在多次摩擦磨損的工況條件下會(huì)產(chǎn)生熱量，使長(zhǎng)分子鏈C-C、C-H 鍵斷裂，分解成CO、H2等，加速器件老化。 例如打印機(jī)機(jī)頭樹脂材料在頻繁打印的高速摩擦下，壽命極短。 而廢棄的樹脂基器件在大氣中不易分解，造成不容忽視的環(huán)保壓力。

對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性能提高酚醛樹脂的耐磨性能。 有機(jī)硅能改善酚醛樹脂的熱穩(wěn)定性、韌性、抗酸、抗堿和抗鹽性能[1]。 隨固化溫度的升高，納米氧化鋁改性的酚醛樹脂增強(qiáng)紙基摩擦材料的耐熱性能提高[2]。

在酚醛樹脂基器件表面鍍膜可使其改性。 Ti 元素可以活化樹脂表面，DLC(Diamond Like Carbon)是一種非晶態(tài)薄膜，具有高硬度和高彈性模量。 采用中頻磁控濺射方式制備的Ti-DLC 混合膜層在樹脂表面改性方面有一定的應(yīng)用前景[3]。 MoS2屬于六方晶系，結(jié)構(gòu)與石墨相似，層內(nèi)的Mo-S 化合鍵的鍵能很大，不易被破壞，MoS2的層間作用力是分子之間的范德華力，層內(nèi)作用力是原子之間的范德華力，MoS2具有良好的各向異性與較低的摩擦系數(shù)[4，5]。 同時(shí)，S 與樹脂中的C 原子有一定的親和性，使MoS2能很好地附著在樹脂材料表面，始終發(fā)揮潤(rùn)滑功能[6，7]。

為進(jìn)一步提高樹脂基器件表面的摩擦磨損性能，本工作在樹脂基器件表面覆蓋上Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層，并采用多種規(guī)格靶材、靶間距離、腔體壓力、Ar 流量和功率密度濺射各膜層，通過(guò)摩擦磨損性能試驗(yàn)，探索摩擦性能最好的工藝參數(shù)組合。

1 試 驗(yàn)

1.1 鍍膜工藝

樹脂基材為注塑成型的熱固性酚醛樹脂。 在鍍膜之前，必須清洗樹脂基材的表面。 如不清洗，基材表面的粉塵、油污等雜物會(huì)在后續(xù)磁控濺射過(guò)程的真空環(huán)境中分解、脫落，于是在膜層表面產(chǎn)生空穴的缺陷，影響鍍膜的沉積效果，從而降低結(jié)合力，對(duì)材料的耐磨性和使用壽命產(chǎn)生不利影響。

分別制備無(wú)膜層樹脂材料、表面鍍Ti-DLC 混合膜層樹脂基材料和表面鍍Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層樹脂基材料。 清洗后的樹脂基材即為無(wú)膜層樹脂材料。 表面鍍Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層樹脂基材料的制備過(guò)程如下:在樹脂基體上覆蓋一層Ti 膜，再在Ti 膜上覆蓋一層DLC 膜(此時(shí)即得到表面鍍Ti-DLC 混合膜層樹脂基材料)，再在DLC 膜上覆蓋一層MoS2膜。 制備工藝步驟如下:(1)超聲波清洗樹脂基體5 ～20 min；(2)在MSP-300B 型磁控濺射鍍膜機(jī)的腔體內(nèi)通入氬氣，流量為40～60 cm3/min，腔體內(nèi)氣壓調(diào)整為1.00 ～2.00 Pa，以直流偏壓模式清洗樣片基材，偏壓值為50 ～100 V，在腔體內(nèi)部偏壓清洗5 ～10 min；3)采用射頻磁控濺射鍍膜方式鍍Ti 膜，采用φ80 mm、厚度4.0 ～6.0 mm 的Ti 靶材，靶間距離為80 mm，腔體壓力2.00 ～4.00 Pa，Ar 流量60～80 cm3/min，Ti 靶材功率密度為0.20～0.50 W/cm2；(4)采用射頻磁控濺射鍍膜方式鍍DLC 膜，采用φ80 mm、厚度4.0～6.0 mm 的石墨靶材，靶間距離為80 mm，腔體壓力0.50 ～0.80 Pa，Ar 流量40 ～60 cm3/min，石墨靶材功率密度為3.00 ～5.00 W/cm2；(5)采用射頻磁控濺射鍍膜方式鍍MoS2膜，采用φ80 mm、厚度4.0～6.0 mm 的MoS2靶材，靶間距離為80 mm，腔體壓力2.00 ～5.00 Pa，Ar 流量10 ～100 cm3/min，MoS2靶材功率密度為5.00～10.00 W/cm2。 采用了6 組工藝制備Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層樹脂基材料，具體工藝參數(shù)及成膜厚度如表1 所示。

表1 不同工藝參數(shù)及成膜厚度Table 1 Various process parameters and thickness of film

1.2 摩擦磨損性能測(cè)試

摩擦磨損性能測(cè)試設(shè)備采用HRT-A02C 型往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。 將無(wú)膜層樹脂材料、表面鍍Ti-DLC混合膜層樹脂基材料和表面鍍Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層樹脂基材料切割成36 mm×10 mm×3 mm 的試樣，分別與直徑6.35 mm 的Q235 鋼球進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試。測(cè)試參數(shù):往復(fù)頻率5 Hz，振幅5 mm，載荷2 N。

2 結(jié)果與討論

2.1 6 種復(fù)合膜層的耐磨性

不同參數(shù)條件下制備Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層樹脂基材料與鋼對(duì)磨的摩擦系數(shù)如圖1 所示。

圖1 不同工藝復(fù)合膜層的摩擦系數(shù)Fig.1 Friction coefficient of composite coatings prepared by different processes

6 種工藝條件下的平均摩擦系數(shù)為0.114。 其中，序號(hào)3 條件下制備的復(fù)合膜層的摩擦系數(shù)最低，為0.077 6，比次優(yōu)的序號(hào)2 條件下制備的復(fù)合膜層的摩擦系數(shù)0.096 0降低了19%，比各序號(hào)的平均值降低了32%。

序號(hào)3 條件下制備的MoS2薄膜(002)面擇優(yōu)生長(zhǎng)，序號(hào)2、3、5、6 和7 條件下制備的MoS2薄膜(100)面擇優(yōu)生長(zhǎng)。 (002)面是垂直于c 軸的非極性面，分子層間靠范德華力結(jié)合，當(dāng)受到剪切力時(shí)易于滑動(dòng)，所以摩擦系數(shù)小。 而(100)面是沿Mo-S 斷裂的極性面，一方面由于層內(nèi)S-Mo-S 鍵能較大，在摩擦磨損時(shí)層間滑移阻力較大，造成摩擦系數(shù)增大；另一方面，薄膜表面組織缺陷使磨損部位粗糙度增加，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。此外，在此工藝下，整個(gè)膜層之間界面的綜合強(qiáng)韌性使得制得的復(fù)合膜層的摩擦系數(shù)最低。

2.2 不同膜層的耐磨性

觀察圖1 中的6 組摩擦系數(shù)可知，最接近6 組摩擦系數(shù)平均值的是序號(hào)2。 選擇表1 中序號(hào)2 對(duì)應(yīng)的工藝制備的3 種材料進(jìn)行不同膜層耐磨性的對(duì)比試驗(yàn)。無(wú)膜層樹脂材料、表面鍍Ti-DLC 混合膜層樹脂基材料和表面鍍Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層樹脂基材料與鋼對(duì)磨的摩擦系數(shù)如圖2 所示。

圖2 不同膜層的摩擦系數(shù)Fig.2 Friction coefficient of different coatings

3 種不同膜層中，Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層樹脂基材料與鋼對(duì)磨的摩擦系數(shù)最小，比表面鍍Ti-DLC 混合膜層降低了30%，比無(wú)膜層的樹脂材料降低了54%。

Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層樹脂基材料中，Ti 膜層介于樹脂基體與DLC 膜層之間，由于Ti 元素具有較高的活性，Ti 原子可與樹脂和DLC 膜中的C 原子形成中間化合物TiC，中間化合物提高了膜層的結(jié)合力[6]。 中間膜層為DLC 膜層，DLC 膜層具有硬度高、摩擦系數(shù)小、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良的特點(diǎn)。 表層為MoS2膜層，MoS2屬于過(guò)渡金屬層狀二元化合物(MX2)，具有良好的潤(rùn)滑性能，其潤(rùn)滑性降低了復(fù)合膜層的摩擦系數(shù)。

3 結(jié) 論

(1)與表面鍍Ti-DLC 混合膜層相比，Ti-DLCMoS2復(fù)合膜層的耐磨性提高了30%；與無(wú)膜層的樹脂材料相比，Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層的耐磨性提高了54%。

(2)Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層的摩擦系數(shù)最低為0.077 6。 其制備工藝如下:鍍Ti 膜腔體壓力3.00 Pa，Ar 流量70.00 cm3/min，Ti 靶材功率密度0.30 W/cm2；鍍DLC 膜腔體壓力0.65 Pa，Ar 流量50 cm3/min，石墨靶材功率密度4.00 W/cm2；鍍MoS2腔體壓力3.00 Pa，Ar 流量46 cm3/min，MoS2功率密度7 W/cm2。

(3)Ti-DLC-MoS2復(fù)合膜層能增強(qiáng)膜層的結(jié)合力、增大耐磨性、增強(qiáng)潤(rùn)滑性，可大大提高樹脂基器件的使用壽命。