纳米多层类金刚石/硫系固体润滑薄膜的制备及其摩擦学性能与机理研究

本项目提出以DLC薄膜、硫系固体润滑薄膜、润滑油添加剂三者结合的方式解决苛刻条件下机械系统摩擦磨损问题的新思路，以摩擦副表面材质和润滑剂组成的摩擦学系统作为研究对象，研究具有低摩擦系数、低磨损率、并与润滑油添加剂产生协同作用效果的纳米多层MeSx/DLC复合薄膜。采用离子束辅助沉积和低温离子渗硫两步法制备纳米多层WS2 (MoS2)/DLC复合膜，利用多种微观测试手段探讨低温离子硫化工艺与复合膜的硫化物生长规律的关系，提出硫化物生长机制；利用摩擦磨损试验机评价复合膜在高湿度、高温干摩擦条件下，MoDTC、ZDDP极压抗磨剂边界润滑条件下的摩擦学性能，揭示复合膜的制备工艺-成分-结构-摩擦学性能的关系，利用多种微观测试技术分析磨损表面的成分及微观结构，揭示复合膜的磨损机制以及与润滑油添加剂的交互作用机理。研究成果对苛刻条件下机械系统的摩擦副材质与润滑技术的设计具有重要的实际与理论指导意义。

新材料、先进的表面工程技术和优化的润滑技术是解决苛刻条件下机械系统摩擦磨损问题的三方面关键技术。本课题全面探索了类金刚石（DLC）膜、硫系固体润滑膜、润滑油添加剂三者复合的交互作用机理。在MeSx/DLC纳米复合膜制备新工艺、复合膜微观结构和成膜机理、MeSx/DLC、FeS、DLC等固体润滑材料与ZDDP、MoDTC的交互作用机理、离子渗氮钢与新型无硫磷润滑油添加剂的交互作用机理方面开展了大量深入的研究工作。首次提出沉积镀膜和离子渗硫两步法制备纳米多层MeSx/DLC复合膜的新工艺，解决了传统溅射镀膜工艺造成复合膜中S含量不足的问题。制备的WSx/DLC复合膜具有软质相和硬质相均匀分布的特殊双网状结构，是一种新型结构的复合固体润滑膜，其成膜机理为S离子和FeS沿着片状石墨的晶界和缺陷渗入W/DLC膜。对比研究了不同W含量WSx/W-DLC复合膜的摩擦学性能，结果发现W含量为27.7%的复合膜表现出最优异的摩擦学性能，其摩擦学机理为高硬度基体的支撑下，摩擦表面生成了低剪切强度的富石墨相和硫化物复合层发挥着关键减摩作用。WSx/DLC膜在MoDTC、ZDDP作用下都表现出优异的摩擦学性能，复合膜表面的硫化物可促进MoDTC、ZDDP的分解反应，生成含量更多的减摩抗磨的化合物。基于协同增效的想法，研究发现硫氮复合层在MoDTC作用下表现出优异的摩擦学性能，主要是复合层中FeS促进MoDTC的摩擦化学反应，生成含量更高的易剪切的MoS2。同时，发现离子渗氮钢在无硫磷有机钨、硼酸酯和ZDDP作用下都表现出优异的摩擦学性能，主要原因是氮化层可促进WN、BN和磷酸盐的生成。研究成果对苛刻条件下机械系统的摩擦副材质与润滑技术的选择和设计具有重要的实际与理论指导意义。