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二硫化钨（WS_2）薄膜的制备及其摩擦学性能

作　者: 惠秀梅
导　师: 巴德纯
学　校: 东北大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 二硫化钨 硫化 直流反应磁控溅射 射频磁控溅射 摩擦学性能
分类号: O313.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


在高温、高真空或高低温循环等苛刻条件下,液体润滑剂由于无法满足使用要求,这使润滑剂面临严峻的挑战。在这些环境中,固体润滑膜可以代替液体润滑剂有效地发挥润滑功能,并已被广泛应用于真空设备及空间技术领域。由于具有优异的摩擦学性能以及比MoS2更高的抗氧化温度,WS2已经成为解决苛刻运行环境中润滑问题的有效途径。本课题采用反应磁控溅射硫化法和射频磁控溅射两种沉积方法在3Cr13不锈钢基片上沉积二硫化钨(WS2)薄膜。采用SEM, XRD, EDS对薄膜的形貌、结构、化学成分进行了表征和测试；采用划痕试验测定了薄膜与界面的结合强度,采用触针法测量薄膜的厚度,并通过微摩擦试验机表征了WS2薄膜的摩擦学性能。XRD检测结果显示,利用本课题两种沉积方法在不锈钢基片上沉积的WS2薄膜可以是非晶态也可以是晶态。EDS测出WS2薄膜内S、W元素的质量百分比和原子百分比,由分析数据可知,实验参数不同,WS2膜的成分结构及性质都有所变化；SEM分析发现薄膜由均匀的颗粒组成,薄膜与基体结合良好,没有出现开裂、分离的情况。反应磁控溅射硫化法检测结果表明硫化温度对WS2薄膜的表面形貌和结晶率有明显的影响,而对膜层的化学成分影响不大。射频磁控溅射法检测结果表明添加过渡层可以改善薄膜结合力；经过退火处理的薄膜出现结晶趋势。本文还总结了两种沉积方法制备的WS2薄膜在不同参数(如：硫化温度、溅射功率、溅射气压、溅射时间和过渡层等)条件下,薄膜结构、化学成分、膜厚、薄膜与基底界面的结合力等随工艺参数的变化规律。采用微摩擦试验机研究了WS2薄膜的摩擦学性能。讨论了不同工艺参数对薄膜摩擦学性能的影响。结果表明：对于反应磁控溅射硫化法制备的WS2薄膜,可以有效改善不锈钢基底的摩擦学性能。而且随着硫化温度的升高,薄膜摩擦学性能随之提高。对于射频磁控溅射法,研究了摩擦学性能随不同工艺参数的变化规律。本文发现增加一定的过渡层对于沉积质量较好的薄膜十分有利,增加过渡层后,减小了薄膜内应力,增加了薄膜与基底的结合力,明显提高了成膜质量,制得的薄膜摩擦系数小,并且载荷变化,对加过渡层的薄膜影响也较小。

全文目录


中文摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章 绪论  11-25
  1.1 引言  11
  1.2 固体润滑剂  11-14
    1.2.1 润滑剂的分类  11
    1.2.2 固体润滑剂的分类  11-12
    1.2.3 固体润滑剂应具备的特性  12-14
  1.3 固体润滑膜  14-17
    1.3.1 固体润滑膜  14
    1.3.2 固体润滑膜的性能  14-15
    1.3.3 固体润滑膜的摩擦特性及影响因素  15-17
    1.3.4 固体润滑膜的磨损特性及影响因素  17
  1.4 二硫化钨概述  17-21
    1.4.1 WS_2基本性质  17-19
    1.4.2 WS_2固体润滑薄膜的润滑机理  19-20
    1.4.3 WS_2的用途  20-21
    1.4.4 WS_2薄膜  21
  1.5 二硫化钨的研究进展  21-24
  1.6 课题的立题依据和研究意义  24
  1.7 本章小结  24-25
第2章 二硫化钨薄膜的制备  25-39
  2.1 溅射镀膜的原理及特点  25-29
    2.1.1 磁控溅射镀膜原理及特点  25-27
    2.1.2 反应磁控溅射镀膜原理及特点  27
    2.1.3 射频溅射镀膜原理及特点  27-29
  2.2 二硫化钨薄膜的制备工艺  29-37
    2.2.1 镀膜试验方案设计  29
    2.2.2 靶材制备  29-30
    2.2.3 实验材料的选用  30
    2.2.4 镀膜前基材样品的预处理  30
    2.2.5 实验设备  30-34
    2.2.6 WS_2薄膜沉积步骤  34-36
    2.2.7 WS_2薄膜沉积工艺参数  36-37
  2.3 本章小结  37-39
第3章 二硫化钨薄膜结构分析和形貌表征  39-57
  3.1 结构分析  39-46
    3.1.1 薄膜结构的X射线衍射表征  39-42
    3.1.2 薄膜化学成分分析  42-46
  3.2 薄膜——基底界面结合强度和膜厚  46-52
    3.2.1 薄膜——基底界面结合强度测试  46-50
    3.2.2 薄膜厚度测定  50-52
  3.3 表面形貌  52-55
    3.3.1 反应磁控溅射硫化法沉积WS_2薄膜的表面形貌  53-54
    3.3.2 射频磁控溅射法沉积WS_2薄膜的表面形貌  54-55
  3.4 本章小结  55-57
第4章 二硫化钨薄膜的摩擦学性能  57-67
  4.1 实验设备  57-58
  4.2 反应磁控溅射硫化法沉积二硫化钨薄膜摩擦学性能  58-59
  4.3 射频磁控溅射法沉积二硫化钨薄膜摩擦学性能  59-65
    4.3.1 溅射气压对摩擦系数的影响  59-60
    4.3.2 溅射功率对摩擦系数的影响  60-61
    4.3.3 溅射时间对摩擦系数的影响  61-63
    4.3.4 过渡层对摩擦系数的影响  63-64
    4.3.5 载荷对摩擦系数的影响  64-65
  4.4 本章小结  65-67
第5章 结论  67-69
  5.1 结论  67
  5.2 建议  67-69
参考文献  69-73
致谢  73

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 理论力学（一般力学） > 动力学 > 摩擦理论
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