MeS_x/Me-DLC复合薄膜的制备与性能研究

【摘要】类金刚石（DLC）薄膜由于其高硬度、良好的化学稳定性等特点而受到广泛的关注。但是其较差的热稳定性和低的膜基结合力大大限制了其在特殊工况下的应用。研究表明：金属硫化物掺杂能够有效改善类金刚石薄膜的综合性能。本文以梯度复合薄膜技术为主导，采用离子束辅助沉积和低温离子渗硫处理相结合的方式制备了WS2/W-DLC和MoS2/Mo-DLC两种复合固体润滑薄膜，利用扫描电子显微镜、三维白光形貌仪、X射线衍射仪、拉曼光谱、透射电子显微镜、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等分析测试仪器全面观察分析了薄膜的微观结构、组织和性能之间的关系，深入分析了干摩擦条件下复合薄膜的摩擦学机理，结果表明：（1）利用离子束辅助沉积技术制备了厚度为1~2μm的W-DLC和Mo-DLC复合薄膜，Me（Me为W或Mo）靶束流增加使薄膜的粗糙度有所增加，离子硫化处理近一步增加了薄膜表面粗糙度，但薄膜仍具有纳米级的光滑表面。分析显示薄膜为MeCx镶嵌在非晶碳基体中形成的复合薄膜，MeCx的存在对薄膜产生纳米增韧的效果，因此随着Me靶束流的增强，薄膜的硬度和弹性模量得到显著的提升。（2）经低温离子渗硫处理后，薄膜为FeSx、MeSx镶嵌于非晶碳基体中的复合结构，薄膜的硬度由于硫化过程中硫化物的产生和薄膜中非晶碳的石墨化转变而有所下降，但仍保持了较高的硬度和弹性模量，WS2/W-DLC薄膜的最高硬度和弹性模量分别为30±4GPa和450±20GPa，MoS2/Mo-DLC薄膜的最高硬度和弹性模量分别为24±2GPa和400±20GPa。（3）MeS2/Me-DLC复合薄膜具有MeCx镶嵌于非晶碳基体中的硬质亚表层，表层为非晶碳基体中镶嵌MeSx、FeSx且富石墨的软质易滑移层，共同构成复合薄膜体系。摩擦过程中摩擦作用在表面软质层中进行，而硬质亚表层为软质表层提供了有效的支承作用。同时，在摩擦过程中，对磨副表面形成了摩擦转移层，因此，薄膜表现出优异的抗磨减摩性能。其中WS2/W-DLC复合薄膜的摩擦系数最低达到0.03，磨损体积比DLC降低了40%。MoS2/Mo-DLC复合薄膜的摩擦系数最低达到0.05，磨损体积比DLC薄膜降低了42%。MoS2/Mo-DLC在摩擦过程中更容易发生氧化。
【作者】王松；
【导师】王成彪；岳文；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），机械工程，2014，硕士
【关键词】类金刚石薄膜；离子束辅助沉积；低温离子硫化；摩擦磨损；

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