二维二硫化钼基润滑材料的可控制备及其摩擦学性能研究

Friction between moving components is one of the main reasons to shorten their service life. Developing high performance lubricants to prolong the service life of moving components is both theoretically significant and practically valuable. Molybdenum disulfide (MoS2) is an ideal solid lubricant and solid lubricating additive for the lubricating oil because of its excellent tribological properties. Compared to the traditional MoS2 materials, two-dimensional (2D) MoS2 nanosheets possess advantages of stronger adhesion on friction surface, larger size along the low shear strength direction and thinner thickness. In this project, firstly, we will systematically study the controllable and scalable preparation of 2D MoS2 nanosheets by shear exfoliation technology; secondly, we will study their micro-tribological properties, mainly focusing on revealing the effects of experimental conditions on mechanical and tribological properties of the 2D MoS2 nanosheets; finally, we will develop 2D MoS2 nanosheets-based coating materials and lubricating oil additives, then study their tribological properties and reveal its law of friction and wear behavior as well as the lubricating mechanism of the prepared materials. The success of this project can bring about the following significant beneficial outcomes: (1) deeper understanding of lubrication and wear-resistance theory of 2D MoS2 nanomaterias; (2) development of the theoretical foundation in 2D MoS2 based solid lubricant coatings and low-dimensional lubricating oil additive nanomaterials; (3) providing the technical support for solving practical application problems in microelectronic mechanical systems and aerospace fields.

运动部件的摩擦磨损是影响其使用寿命的主要原因之一。高性能润滑材料的研究与开发对延长部件的使用寿命具有重大的理论意义和应用价值。二硫化钼（MoS2）具有优异的摩擦学性能，被作为固体润滑剂及润滑油添加剂广泛使用。而与传统MoS2相比，二维MoS2纳米片具有与摩擦表面附着力强、低剪切强度方向尺寸大和厚度小的优点。本研究工作将首先利用剪切剥离技术实现二维MoS2纳米片的可控宏量制备，然后对其进行微观摩擦学测试，研究不同条件对纳米片力学和摩擦学性能的影响。在此基础上，将进一步开展二维MoS2基润滑涂层和润滑油添加剂的研制，并对它们的力学和宏观摩擦学性能进行研究，揭示其摩擦磨损行为规律及润滑机理。本项目的成功实施，将深入认识二维MoS2抗磨理论，为发展基于少层二维材料的固体润滑涂层和低维纳米润滑油添加剂材料奠定理论基础，并为二维片状材料在微电子机械系统和航空航天等领域摩擦系统中的实际应用提供技术支持。

本项目针对二维二硫化钼（MoS2）纳米材料的重大应用前景和研究现状，主要开展二维MoS2纳米片制备新技术、新方法的开发，并对其在润滑涂层和润滑油添加剂方面的摩擦学性能进行了系统的研究。项目主要获得了以下几个方面重要研究成果：.（1）以绿色的乙醇和水的混合溶液作为剥离试剂，结合高速剪切剥离和梯度离心过程，成功获得性质稳定、结构均一、少层的二维MoS2纳米片。.（2）利用原位聚合法制备了2D-MoS2/PI复合薄膜，2D-MoS2（＜1.0wt%）在PI基体中均匀分散，有效提升了PI的热稳定性和力学性能。.（3）利用溶剂热法成功制备出结晶性良好的花状结构MoS2及MoS2包覆的中空碳纳米纤维复合填料，然后利用原位聚合法制备了MoS2@HCNF/PI 复合涂层，HCNF 与MoS2的协同增强效应使PI基体的拉伸强度得到显著提高（2.0wt%时增加51%）。在水润滑以及油润滑条件下MoS2@HCNF/PI复合涂层表现出良好的减摩抗磨性能。.（4）利用水热法在氟掺杂氧化锡玻璃（FTO）表面生长一层由无序堆叠的MoS2纳米片组成的疏松多孔性的涂层，在滑动过程中引入滚动元素，可实现0.005左右的超低润滑，并且具有良好重现性。利用纳米结构MoS2涂层中存在的大量间隙存储低粘度润滑油PAO-4，得到PAO/MoS2固-液复合润滑涂层，摩擦系数可低至0.06，是固体涂层相应值的1/4、液体油膜的1/2。耐磨寿命是单一润滑形式的10倍以上。.（5）利用一步水热法得到的石墨烯-MoS2的异质结构纳米片，并将其以润滑油添加剂形式和真空润滑涂层形式进行测试，发现异质纳米片材料的润滑性能远优于单一的石墨烯或MoS2以及两者的混合物。.本项目所有研究内容的执行和完成，具有十分重要的理论研究价值和广阔的应用前景，将极大地丰富二维片状纳米材料的研究内容，为其在微机电系统涂层材料和润滑油固-液复配体系等领域的应用提供技术指导。