KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| WS2基薄膜/含油多孔聚酰亚胺固液复合润滑体系的摩擦学性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 剡珍 | |
| Thesis Advisor | 冯大鹏 ; 孙嘉奕 |
| 2019-05-27 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 固液复合润滑 WS2基薄膜 多孔聚酰亚胺 摩擦学性能 润滑机理 Solid-liquid composite lubrication WS2-based films Porous polyimide Tribological property Lubricating mechanism |
| Abstract | 合适的固体润滑薄膜与液体润滑剂配伍组成固液复合润滑体系，能够产生协同润滑效应，这对于满足苛刻工况条件下空间机械运动部件长寿命、高可靠性的进一步发展需求具有重要的现实意义。但是，在多种工况条件下液体润滑剂理化性能和固体润滑薄膜（微观组织结构、力学性能、摩擦学性能）对过渡族二硫属化合物薄膜/空间用液体润滑剂固液复合润滑体系的摩擦学性能的影响规律缺乏系统研究，其润滑机理仍然有待于进一步深入认识。基于此，本论文针对空间用长寿命轴承发展需求，选择溅射WS2薄膜，通过复合化、多层化技术手段优化薄膜组织结构以期改善薄膜力学和摩擦学性能。空间用液体润滑剂选用全氟聚醚（PFPE）、硅碳氢（SiCH）和聚α烯烃（PAO），以多孔聚酰亚胺（Porouspolyimide，PPI）对偶销为空间液体润滑剂载体与WS2基薄膜组成摩擦配偶，构筑了WS2基薄膜/PPI/润滑油固液复合润滑体系。研究了WS2基薄膜的组织结构、摩擦学性能和润滑油种类、极性和粘度等因素在模拟空间环境下对复合润滑体系摩擦学性能的影响规律及其润滑机理。主要结论如下： 1.研究了WS2薄膜/PPI/PFPE和WS2薄膜/PPI/SiCH复合润滑体系的摩擦学性能。研究发现，在大气环境下这两种复合润滑体系的摩擦系数均明显低于纯WS2薄膜干摩擦时的摩擦系数，在真空条件下较低转速（100r/min）时，这两种复合润滑体系的摩擦系数也具有相同特征，均表现出协同润滑效应。其中，WS2薄膜/PPI/PFPE复合润滑体系表现出更低的摩擦系数，这是由于在摩擦接触面形成了由较厚的油膜和较大尺寸的片状WS2磨屑构成的混合润滑层，片状WS2磨屑尺寸为50~200nm。 2.制备的WS2-MoS2复合薄膜结构致密、摩擦学性能得到改善。选用浸有不同粘度PAO的PPI对偶销制备了WS2-MoS2复合薄膜/PPI/PAO复合润滑体系，研究了该复合润滑体系的真空摩擦学性能和润滑机理。研究结果表明，与WS2-MoS2复合膜干摩擦时相比，在较低转速（100r/min）条件下WS2-MoS2复合薄膜/PPI/低粘度PAO（40ºC时21.7mm2•s-1）复合润滑体系表现出协同润滑效应，其摩擦系数明显降低。在复合润滑体系中，PAO分子优先吸附在WS2/MoS2晶体的基面上，在剪切力和润滑油吸附力的共同作用下，WS2/MoS2磨屑中的晶体沿基面不断滑移，形成尺寸更小的薄片状磨屑，其尺寸为30~50nm，使磨屑在摩擦接触区域的分布更均匀，起到降低摩擦和提高承载能力的作用。 3.制备了WS2-MoS2-Au复合薄膜。研究了WS2-MoS2-Au复合薄膜/PPI/PAO复合润滑体系的摩擦学性能及其润滑机理。研究结果表明，不同环境压力条件下（大气压力、气压为5Pa和6.0×10-3Pa），其平均摩擦系数分别为0.13、0.08和0.10，摩擦系数表现为先减小后增大至稳态，并低于相应压力环境下WS2-MoS2-Au复合薄膜干摩擦时的平均摩擦系数。复合润滑体系中，PAO优先吸附在磨屑晶体的基面上，Au纳米晶的掺入对WS2/MoS2磨屑的晶面滑移产生阻碍，形成了更多的小尺寸的碎片状磨屑，其尺寸大小为5~100nm. 4.WS2/Ti多层薄膜中Ti层限制了WS2层柱状晶结构的生长，WS2层为基面择优取向生长，该多层薄膜纳米硬度为8.74GPa。WS2/Ti多层薄膜/PPI/PAO复合润滑体系未表现出协同润滑效应。Ti磨屑作为一种硬度相对较高的磨粒，在WS2磨屑的晶面沿基面滑移时，产生研磨作用，形成片状（尺寸为80~250nm）和大量颗粒状（尺寸为5~30nm）磨屑，不利于降低摩擦。另外，探究了织构化TiN薄膜与PAO组成的固液复合润滑体系的摩擦学性能，发现贫油润滑状态下低面积率的织构面组成的复合润滑体系的减摩效果明显。 5.在所研究的复合润滑体系中，润滑油的极性造成磨屑形态的明显变化，并进而导致复合润滑体系不同的摩擦学性能。复合润滑体系中未观察到转移膜，但也能产生协同润滑效应，表明转移膜的产生不是协同润滑效应的必要条件。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25259 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 剡珍. WS2基薄膜/含油多孔聚酰亚胺固液复合润滑体系的摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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