宽温域非平衡磁控溅射二硫化钨薄膜生长机理、结构演变及其摩擦学性能的研究

This research is proposed based on the frontier in the film material field and development needs of China's space technology. The WS2 film, a typical solid lubricating material for space application, will be deposited by unbalanced magnetron sputter bonding with low temperature technology at a wide-temperature range of 77-900 K. The growth, structure and tribological performances of the films will be fully investigated by overall considering the effects of adatom’s mobility and stress/strain on the film growth. The film growth mechanism will be clarified, the variation rule of the film structure and tribological performances with the process parameters be revealed, and then a new structure zone model be built. To Implement this research can not only develop the film growth theory and model, but also provide the theoretical basis and guidance for the structure design and performance optimization of space solid lubricating films with long service life and high reliability.

本课题立足于薄膜材料领域的研究前沿和我国空间技术发展的技术需求，综合了低温和非平衡磁控溅射技术，以二硫化钨固体润滑材料作为研究对象，开展宽温域（77K-900K）沉积薄膜材料的生长机理、结构演变规律和摩擦学性能的研究，系统研究沉积粒子能量和应力/应变对薄膜生长的影响，阐明宽温域沉积二硫化钨薄膜的生长机理，揭示其结构和摩擦学性能随工艺参数的变化规律，进而构建新型的薄膜生长结构区域模型。开展此研究工作，不仅可进一步地深化薄膜生长基础知识，研究结果还可为我国新型空间长寿命、高可靠固体润滑薄膜的结构设计和性能优化提供理论依据和技术指导。

本项目针对薄膜材料领域的研究前沿和我国空间技术发展的技术需求，开展了非平衡磁控溅射WS2薄膜材料生长、结构演变及其摩擦学性能的研究，阐明了WS2薄膜的生长机理，结构随工艺参数的演变规律，及其摩擦学性能随薄膜结构的变化规律。WS2-金属复合薄膜的研究发现，金属元素掺杂可导致WS2薄膜结构的致密化、硬度的提高，但也会导致其脆性的增大；因此其摩擦学性能是其结构和力学性能的综合作用结果，在适宜金属元素掺杂量条件下，WS2-金属复合薄膜可表现出良好的摩擦学性能；在此基础上，研制了一种低摩擦、低磨损特性的WS2-金属复合薄膜，其在真空环境条件下的摩擦系数约为0.06、耐磨寿命达到了1.5106r，表现出良好的应用潜力。研究了WS2纳米多层薄膜的结构、力学性能、摩擦学性能及其空间环境适应性，研究发现将MoS2引入WS2构筑纳米多层结构，可显著抑制薄膜中棱面取向晶粒的生长，进而导致薄膜结构的高度致密化、基面择优取向生长的增强和力学性能的提升，此类薄膜材料在真空环境条件下表现出优异的摩擦学性能（平均摩擦系数为0.03、耐磨寿命达到了1.3106r），并兼具良好的耐热循环和原子氧辐照等能力。将本项目所研制的MoS2/WS2纳米多层结构薄膜应用到了我国某空间机构的润滑处理，满足了任务对固体润滑薄膜的摩擦学的技术需求。本项目研究结果共发表论文17篇、申请专利3件，并获中国航天科技集团公司技术发明二等奖一项，达到了项目的预期研究目标。