固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

    针对航空、航天等领域中相关运动部件在超高/低温、多温度交变循环下的摩擦磨损问题，开展了氮化物基薄膜的设计制备、性能及润滑机理研究。本文采用脉冲激光沉积技术制备了TiN、TiN/MoS₂/Ag、VN和VN/Ag等一系列纳米结构薄膜，考察薄膜的组织结构、力学性能及宽温域内的摩擦学性能，研究沉积工艺、润滑相（MoS₂、Ag）对氮化物基薄膜组织结构和性能的影响，阐明薄膜在宽温域内的润滑机理。主要研究结果如下：

    1.考察并研究了薄膜沉积时基底温度对TiN薄膜组织结构、力学及摩擦学性能的影响。结果表明：在不同基底温度下制得了化学计量比的TiN纳米结构薄膜，且薄膜在厚度上具有相一致的晶体结构。室温下沉积的TiN薄膜具有最高的硬度值为30.6GPa，最小的摩擦系数为0.088。其优异的摩擦学性能主要归因于其较小的晶粒尺寸、较低的表面粗糙度和较高硬度的综合作用。

    2.考察并研究了TiN/MoS₂/Ag复合薄膜的组织结构、力学及其在室温-900 ℃内的摩擦学性能。结果表明：制备出了基本符合化学计量比（Mo/S：12.43/22.42,Ti/N：30.17/26.65，at.%）的TiN/MoS₂/Ag纳米结构复合薄膜。与纯TiN薄膜相比，由于润滑相MoS₂、Ag的复配使得TiN/MoS₂/Ag薄膜的力学性能明显降低。复合薄膜在低温时段主要依靠层状MoS₂和软金属Ag的协同润滑作用而具有很小的摩擦系数，在0.05-0.1之间；在高温时段通过摩擦化学反应生成了高温润滑相-TiO₂、MoO₃、钼酸银起到了协同润滑作用，显著降低了薄膜在高温时段的摩擦系数。因此，不同润滑相的复配可实现薄膜在室温-900 ℃范围内的连续润滑。

     3.考察了基底温度对VN薄膜组织结构及力学性能的影响，研究了VN薄膜在室温-900 ℃内的摩擦学性能及其润滑机理。结果表明：室温下所沉积的VN薄膜表面布满大尺寸的菜花状颗粒，表面粗糙，呈较为疏松的柱状晶结构组织；而300 ℃下沉积的VN薄膜表面光滑平整，组织致密，晶粒尺寸为9.7nm，在宽温域内都有较低的摩擦系数。随着试验温度的升高，VN发生连续的氧化并生成了一系列具有润滑特性的Magnéli相氧化钒（如V₂O₅,V₃O₇,V₆O₁₁,V₆O₁₃等），这些氧化物在磨痕表面形成润滑性转移膜甚至存在液相润滑，使薄膜的摩擦系数随温度的升高而降低。

    4.考察并研究了不同含Ag量的VN/Ag复合薄膜的组织结构、力学及其在室温-900 ℃内摩擦学性能。结果表明：获得了fcc-VN和fcc-Ag纳米晶共存的VN/Ag纳米结构复合薄膜，随着Ag含量的增多，薄膜的硬度及弹性模量值等力学性能逐渐减小。VN/Ag复合薄膜的含Ag量为16at.%时摩擦学性能最佳，其摩擦系数从室温下的0.3连续降低至900 ℃时的0.08。低温下，Ag的润滑改善了VN/Ag复合薄膜的摩擦学性能并起到主导作用；当温度在500 ℃及以上时，通过高温摩擦化学反应所形成的氧化钒(V₂O₅、V₆O₁₁、V₆O₁₃)以及钒酸银(Ag₃VO₄、AgVO₃)对VN/Ag复合薄膜的协同润滑起到关键作用，改善了复合薄膜的摩擦学性能。因此，金属Ag与高温摩擦化学反应产物在不同温度时段的润滑作用实现了VN/Ag复合薄膜在宽温域内的连续润滑。