编号：FTJS107788
篇名： 氮化硅基MoS2复合薄膜制备及摩擦磨损性能研究
作者： 梁家岐
关键词： 氮化硅; MoS2薄膜; 结构设计; 摩擦磨损; 有限元模拟;
机构：沈阳建筑大学
摘要： 氮化硅（Si3N4）作为一种陶瓷材料,具有耐高温、密度低和耐腐蚀等特点,常应用于陶瓷轴承的内外套圈、滚动体以及机床主轴刀具。氮化硅陶瓷在烧结成型过程中,其微观结构通常存在孔洞和微裂纹等缺陷,这些缺陷易引起氮化硅陶瓷在干摩擦过程中产生磨粒磨损和微裂纹扩展,进而影响其摩擦学性能。二硫化钼（MoS2）作为一种常用的固体润滑材料,凭借其独特的层状结构,在真空和干燥环境下具有优异的润滑性能。该性能可以有效改善氮化硅陶瓷在干摩擦过程中的表面损伤,降低其摩擦磨损和摩擦生热。因此,本文针对氮化硅陶瓷在摩擦磨损过程中因结构缺陷易产生磨粒磨损和微裂纹扩展的问题,采用混合磁控溅射设备,在氮化硅基底（Ra～0.1μm）上设计并制备了多种复合结构的MoS2复合薄膜,旨在通过沉积具有良好润滑性能的薄膜来提升氮化硅基底的摩擦磨损性能。论文主要研究内容如下: （1）MoS2复合薄膜的制备与性能研究。通过Ti/TiN结构设计和金属Cu掺杂,在氮化硅基底上制备了MoS2复合薄膜。结果表明:Ti/TiN/MoS2复合薄膜表面呈现出纤维状结构,三种Ti/TiN/MoS2-Cu复合薄膜均显示出致密的圆颗状形貌。随着Cu溅射功率增加,MoS2复合薄膜总厚度由5.56μm降低到2.68μm后,又回升至2.83μm。Ti/TiN/MoS2复合薄膜的MoS2以（002）晶面择优取向,随着Cu掺杂量的增加,Cu元素由初始的非晶态逐渐转变为结晶相。MoS2复合薄膜的截面元素映射分布与结构设计一致。掺杂Cu元素促进MoS2结构致密化,提升了MoS2复合薄膜的纳米硬度和粘附强度。在基底上制备MoS2复合薄膜后,样品整体的导热性能相较于基底有所提升。 （2）氮化硅基MoS2复合薄膜的摩擦磨损性能研究。使用摩擦磨损试验机,研究了基底和MoS2复合薄膜在不同温度和载荷条件下的摩擦磨损性能。结果表明:在常温条件下,法向载荷为5N时,基底和MoS2复合薄膜的摩擦系数曲线表现出较大波动;在高温条件下,法向载荷从5N增加到10N,Ti/TiN/MoS2复合薄膜的平均摩擦系数由0.19显著降低到0.07。与基底相比,MoS2复合薄膜的磨痕宽度和磨痕深度均较小。Ti/TiN/MoS2复合薄膜的磨痕轨道中,Mo和S元素部分缺失,说明MoS2润滑层出现破裂。MoS2复合薄膜的体积磨损量与磨损率相比于基底显著降低。Ti/TiN结构设计和适量的Cu元素与MoS2掺杂均能改善氮化硅基底的摩擦磨损性能。 （3）MoS2复合薄膜摩擦磨损的有限元模拟与有效性验证。为进一步有效探明薄膜摩擦磨损过程中的力学应力对薄膜磨损随时间的演化趋势,基于摩擦磨损实验的实际摩擦副和获取的摩擦磨损参数,建立了MoS2复合薄膜的多层结构模型,并对常温条件下10N法向载荷的MoS2复合薄膜往复磨损过程进行有限元模拟。结果表明:t=0s时,等效应力集中于薄膜表面,这导致磨损初期薄膜快速磨损。t=400s时,切应力分段集中于薄膜的接触中心,且接触外围的切应力分布连续,这造成了薄膜的分段犁沟状磨损。t=800s时,接触应力值减少和分布区域增大,这与磨损接触区域增加有关。通过设置的数据采集点获取了薄膜的磨痕轨迹并分析了磨损深度随时间的变化。MoS2复合薄膜的磨损深度和磨损率相对误差均小于20%,这说明摩擦磨损模拟具有有效性。