离子束辅助沉积Ag-Ti-Cu/MoS2复合薄膜组织及性能研究

作     者：陈丹丹 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘元富;金杰

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：IBAD MoS2薄膜 金属元素掺杂 固体润滑 

摘      要：航天领域中许多关键摩擦副零部件长期工作于高真空、强辐照、原子氧腐蚀、热循环、微重力等恶劣环境下,同时,对减重又提出了非常苛刻的要求。利用先进薄膜制备技术,在上述摩擦副零部件表面制备高性能、强适应性、长寿命先进固体润滑膜无疑是解决上述棘手问题的最经济、最有效的方法。本文采用由高能离子束轰击源+磁控溅射源+低能离子束辅助源构成的离子束辅助沉积(Ion Beam Assisted Deposition,IBAD)系统制备了Ag/MoS、Cu/MoS、Ti/MoS,以及Ag-Ti/MoS系列MoS基固体润滑复合薄膜。系统研究了Ag、Cu、Ti、Ag-Ti金属掺杂的作用机理及薄膜生长机制,丰富了MoS基固体润滑薄膜研究体系。利用扫描电镜及三维光学轮廓仪观察分析了薄膜的表面形貌;利用扫描电镜、能谱仪、掠射角X射线衍射仪以及拉曼光谱仪分析了薄膜的显微组织结构;利用纳米压痕仪测试了薄膜的硬度及弹性模量;利用球-盘式摩擦磨损试验机测试了薄膜的摩擦磨损性能,利用扫描电镜以及白光干涉仪观察分析了磨痕形貌。对采用相同工艺参数,利用IBAD技术所制备的Ag/MoS,Cu/MoS和Ti/MoS系列复合薄膜进行对比分析,发现金属与薄膜润湿性好,易按层状生长方式生长形成固溶体,表面粗糙度小;Ag、Cu与MoS薄膜润湿性差,Ag好于Cu按先层状生长后岛状生长方式长大,Cu倾向于以岛状方式长大形成Cu-Cu富集区或包覆MoS晶粒长大,表面粗糙度大。Ti掺杂增硬效果显著,Ag掺杂增韧效果显著,Cu掺杂表现出蠕变效应。薄膜/基材结合力测试分析结果表明,薄膜/基材强度顺序为Cu/MoSAg/MoSTi-Ag/MoSTi/MoS。摩擦性能Ti-Ag/MoSTi-MoSAg-MoSCu/MoS,摩擦系数范围0.04～0.12,在3 N-2000 r/min时均出现最小摩擦系数,在4 N-2000 r/min时比磨损率最低,耐磨损性优异。复合制备方法——高能离子束轰击源+磁控溅射源+低能离子束辅助沉积源技术及其所制备双元素共掺杂Ag-Ti/MoS固体润滑薄膜具有较好的推广应用价值,该制备薄膜方法对于MoS基多层梯度固体润滑涂层产品的开发具有现实的指导意义和长远的战略价值。