 |
 |
 |
 |
 |
 |
||
 |
 |
 |
 |
 |
小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 材料區(qū) » 材料綜合 » 材料其他 » 含鉭二硫化鉬：高性能空間潤滑新突破
| 5 | 1/1 | 返回列表 |
| 查看: 695 | 回復: 6 | ||||
| 當前只顯示滿足指定條件的回帖，點擊這里查看本話題的所有回帖 | ||||
[交流]
含鉭二硫化鉬：高性能空間潤滑新突破
|
||||
|
自 20 世紀 50 年代起，二硫化鉬涂層就作為航天器潤滑劑被廣泛應用。然而，它在地球大氣、深空真空環(huán)境下的性能表現(xiàn)，以及長達數(shù)十年無需維護的使用壽命等方面，仍面臨重大工程挑戰(zhàn)。盡管二硫化鉬與添加劑化合物的共沉積在一定程度上改善了性能，但能在所有空間環(huán)境中長期穩(wěn)定發(fā)揮作用的潤滑劑，依然是亟待攻克的難題。今天給大家介紹一種新型二硫化鉬 + 鉭潤滑劑涂層，它在地球和空間環(huán)境中均展現(xiàn)出卓越的潤滑性能，這是現(xiàn)有商用二硫化鉬潤滑劑涂層所無法企及的。 空間潤滑：一項充滿挑戰(zhàn)的工程設計 從望遠鏡到漫游者，各類太空機器人包含軸承、反作用輪、諧波驅(qū)動齒輪等多種機構。這些機構需在離地球數(shù)百到數(shù)百萬公里的地方，在整個任務周期內(nèi)保持超高精度運行，且無法進行維護。因此，潤滑對于太空機構至關重要。但太空環(huán)境中的微重力、極端溫度、多種輻射，以及在潮濕地面環(huán)境裝配鑒定、外太空和深空超高真空環(huán)境下執(zhí)行任務，還有中間發(fā)射過程的嚴酷條件等，都給潤滑帶來諸多獨特難題。 歷史上，二硫化鉬憑借對真空的適應性，成為空間潤滑劑。但在潮濕空氣中，它會氧化成三氧化鉬，破壞范德瓦爾斯滑動，致使性能失效。而且，隨著任務時間拉長，對二硫化鉬潤滑油的磨損壽命要求從數(shù)月提升到數(shù)十年。為此，人們將二硫化鉬與多種添加劑共沉積形成 “變色龍” 涂層，可部分添加劑會破壞其自然潤滑性，部分僅在特定環(huán)境有效，一直未找到能在所有航天器工況下實現(xiàn)可持續(xù)潤滑的產(chǎn)品。 在本研究中，我們對比新型二硫化鉬與鉭共沉積（MoS₂+Ta）涂層和三種空間級二硫化鉬潤滑劑 —— 純二硫化鉬、MoS₂+Ti、MoS₂+WC。選擇鉭共沉積，是因其能優(yōu)先氧化，抑制有害三氧化鉬生成，形成潤滑性的 Ta₂O₅與 TaS₂，后者被 NASA 認定在多種環(huán)境均有效。經(jīng)對 MoS₂+Ta 晶格結構、化學成分和力學性能表征，以及在超高真空（UHV）、ISO 5 潔凈室和環(huán)境過渡條件下測試，結果顯示，僅 MoS₂+Ta 涂層能在所有測試條件下實現(xiàn)持久潤滑，滿足高性能航天器的潤滑需求 。 二硫化鉬與鉭共沉積 新型 MoS₂+Ta 涂層和其他三種基準涂層均采用氣相沉積法，在空間級鋼基板（AISI 440C，58 HRC，Ra = 0.1µm）上制備，涂層厚度為 0.9 - 1.1µm。二硫化鉬與鋼基板的界面常因材料性能突變導致應力集中，成為分層失效點。為此，MoS₂+WC 采用厚 WC 層作為粘附層，MoS₂+Ta 和 MoS₂+Ti 則使用非常薄的粘附層。純二硫化鉬涂層在非晶基體中具有納米晶結構，而加入鉭或鈦后，形成完全無定形的納米結構。MoS₂+WC 涂層主要為納米晶，具有明顯的水平分層納米結構。從遠程涂層微觀結構來看，二硫化鉬、MoS₂+Ta 和 MoS₂+WC 涂層呈垂直柱狀順序，MoS₂+Ti 涂層截面則較為均勻。濺射沉積參數(shù)會影響涂層微觀結構，長程垂直順序的涂層具有更強的耐磨性、與基底的粘附性，且能快速形成相干摩擦膜。因此，MoS₂+Ta 被設計為柱狀微觀結構。 涂層的能量色散 X 射線光譜（EDS）分析顯示，四個樣品均存在 8.04 keV 的信號。三種共沉積涂層的 Mo 和 S 峰與純二硫化鉬涂層相同，其中出現(xiàn) Ta - Lα 和 Ta - M 峰、W - Lα 和 W - M 峰、Ti - Kα 峰。添加劑元素相對原子比例分別為 8% Ti、7% WC 和 10% Ta，且在整個厚度中均勻分布。選擇 10% Ta 添加劑濃度，是因為先前研究表明，添加劑濃度最佳范圍在 5 - 10% 之間，超過 13.5% 時會導致潤滑劑失效。 地面至深空條件下的潤滑 使用負載控制的摩擦計，在 1 GPa 最大赫茲接觸壓力下進行線性往復運動，采用 AISI 440C 鋼觸點對四種涂層進行評估�；搴蛯Χ嗣婢鶠� AISI 440C 鋼，這是空間系統(tǒng)球軸承、座圈、諧波驅(qū)動器的標準材料。測試在超高真空（UHV (2.7 ± 1.2 × 10⁻⁶ Pa)）、潮濕空氣（ISO 5 clean room, RH 43 ± 5%）和環(huán)境轉換（150 cycles Air/850 cycles UHV）三種環(huán)境下進行，運行至 1000 次循環(huán)或涂層失效（摩擦系數(shù) µ>0.5），以模擬空間系統(tǒng)面臨的環(huán)境。 在超高真空環(huán)境下，純 MoS₂展現(xiàn)出出色的潤滑能力，在 1000 次循環(huán)中摩擦系數(shù)最低且最穩(wěn)定，µ = 0.029 ± 0.002。新型 MoS₂+Ta 涂層和空間合格的 WC 共沉積涂層在超高真空下也表現(xiàn)優(yōu)異，摩擦系數(shù)分別為 µ = 0.083 ± 0.08 和 µ = 0.056 ± 0.002。然而，MoS₂+Ti 涂層在超高真空下失效，在失效前，其摩擦系數(shù)最低，µ = 0.023 ± 0.004，表明其潤滑性能強但耐磨性低，適用于一次性機構或短到中等壽命的高精度機構。 在潮濕空氣環(huán)境下，由于高濕度會導致二硫化鉬氧化生成三氧化鉬，損害其潤滑性能，所有四種涂層的摩擦力均有所升高，摩擦系數(shù)在 µ = 0.1 - 0.2 范圍內(nèi)，且二硫化鉬在 320 周期開始迅速失效。然而，共沉積的 MoS₂+Ta 涂層能承受整個 1000 次循環(huán)，控制摩擦系數(shù) µ≤0.22。MoS₂+Ti 涂層也能在空氣中存活 1000 次循環(huán)，表明添加劑過渡金屬對涂層性能有重要影響。MoS₂+WC 涂層由獨立的二硫化鉬和 WC 納米晶體組成，無法保護二硫化鉬免受氧化，在 415 周期失效，這與之前的研究結果相符。 為模擬全套空間環(huán)境，對 MoS₂+Ta 涂層和兩種商業(yè)共沉積涂層進行從空氣 150 循環(huán)到 UHV 850 循環(huán)的環(huán)境過渡測試。只有 MoS₂+Ta 涂層能存活所有 1000 次循環(huán)，且平均摩擦系數(shù)與 UHV 試驗相似，表明其能迅速適應 UHV 潤滑要求。相反，MoS₂+Ti 和 MoS₂+WC 在過渡到 UHV 后均失效，MoS₂+WC 涂層在過渡后立即開始失效，MoS₂+Ti 涂層在 UHV 中經(jīng)過 200 次循環(huán)后開始失效。通過磨損軌跡的原位光學圖像，可以記錄與這些壽命相匹配的磨損趨勢。MoS₂+Ta 在空氣中有一些磨損顆粒，在 UHV 過渡后的前 40 個周期（周期 150 - 190）發(fā)生大部分磨損，之后形成穩(wěn)定的潤滑狀態(tài)。MoS₂+Ti 在空氣下前 150 個循環(huán)噴射磨損顆粒較少，但在 UHV 下磨損迅速。MoS₂+WC 在空氣循環(huán)過程中磨損明顯，導致涂層耗盡和 WC 粘附層可見，過渡后迅速失效。在三種共沉積涂層中，只有 MoS₂+Ta 能在環(huán)境過渡中存活，表明其作為高性能空間潤滑劑的適用性。 潤滑機理 摩擦膜的流變學特性與粒度，為接觸點潤滑機制提供機械層面的見解。四種涂層及噴射磨損碎片，在三種環(huán)境下測試后的二次電子掃描電鏡（SEM）圖像顯示，不同涂層及相同涂層在不同環(huán)境下，磨損瘢痕、摩擦膜和磨損碎片差異顯著。 在 UHV 環(huán)境下，MoS₂+Ta 和 MoS₂+WC 成功潤滑，形成連貫光滑的片狀薄膜磨損疤痕，MoS₂+Ti 則失效，磨損疤痕由小顆粒組成且表面粗糙。結合原位質(zhì)譜分析，航天器組件操作等過程會解吸多種物質(zhì)，本次實驗中解吸物種均源于涂層操作。三種涂層在 UHV 環(huán)境下主要解吸氧化碳、碳氫化合物和水物種，初始階段 CO₂/CₓHᵧ和水解吸速率高，對應磨合時摩擦和磨損增加。之后，MoS₂+Ta 和 MoS₂+WC 解吸速率穩(wěn)定，達到低磨損狀態(tài)；MoS₂+Ti 水解吸速率始終較高，225 周期后出現(xiàn) Ar 和 H₂解吸，導致涂層失效。 空氣環(huán)境中情況相反，MoS₂+Ta 和 MoS₂+Ti 以小顆粒為主并存活 1000 次循環(huán)，MoS₂+WC 和二硫化鉬因片狀或帶狀摩擦膜失效。依據(jù)速度調(diào)節(jié)理論，片狀摩擦膜表現(xiàn)為剪切模式調(diào)節(jié)，小顆粒對應滾動和流變調(diào)節(jié)模式。潮濕環(huán)境中斷內(nèi)部剪切模式，致使 MoS₂+WC 和二硫化鉬片狀摩擦膜失效，而小顆粒摩擦膜可降低接觸面積，減輕二硫化鉬與鋼附著力增加的問題。 三種商業(yè)涂層在 UHV 和空氣環(huán)境下，摩擦膜形貌有一致性。MoS₂+Ti 以小顆粒碎片為主，能在空氣中運行；MoS₂+WC 和二硫化鉬呈片狀摩擦膜，在 UHV 中表現(xiàn)良好。MoS₂+Ta 則不同，UHV 中呈片狀，空氣中為小顆粒，在過渡環(huán)境中磨損疤痕內(nèi)既有薄片又有噴射顆粒，展現(xiàn)出對不同環(huán)境的 “適應性”，說明高性能潤滑劑需具備多種潤滑機制。 為探究 MoS₂+Ta 涂層的高性能潤滑特性，對其力學性能、微觀結構和組成展開評估。通過伯科維奇金剛石壓痕法測量，純二硫化鉬涂層楊氏模量 62GPa、硬度 3.6GPa，共沉積涂層添加劑含量≤10% 時，楊氏模量超 95GPa、硬度超 6.5GPa，MoS₂+Ta 涂層提升最為顯著（E = 114.2±9GPa，H = 6.65±0.4GPa ），這兩種性能與耐磨性相關，但共沉積涂層力學性能相似，表明摩擦化學和結構對涂層性能影響更大。 拉曼光譜分析表明，純二硫化鉬以 A₁g 和 E₁₂g 峰為主，MoS₂+Ta 和 MoS₂+Ti 光譜中這兩個峰消失，出現(xiàn) 2LA (M) 缺陷峰，說明 Ta 和 Ti 原子穿透二硫化鉬晶格，形成修飾結構；MoS₂+WC 涂層 A₁g 和 E₁₂g 峰明顯，二硫化鉬結構基本未受 WC 影響。這與三種涂層力學性能相符，MoS₂+Ta 和 MoS₂+Ti 楊氏模量相對增加量大于混合規(guī)則預測值，MoS₂+WC 模量低于預測值，表明 WC 與二硫化鉬相互作用小。 為闡明涂層改性結構，計算 Ta、Ti 和 W 添加劑在二硫化鉬中不同原子位置的能量穩(wěn)定性。每種添加劑首選原子態(tài)不同，W 易取代 WS₂的 Mo 形成相，Ti 易插入二硫化鉬薄片間，Ta 在插層相和取代相能量穩(wěn)定性相似。Bader 電荷分析顯示，插入原子電荷最大，優(yōu)先氧化潛力最大。Ta 和 Ti 形成插入相抑制空氣中三氧化鉬形成，Ta 和 W 在真空中形成硫化物相，這與拉曼光譜結果一致。 共沉積材料原子鍵態(tài)在 XPS 光譜中得到反映。標準二硫化鉬鍵態(tài)，TaS₂、WS₂和硫化鈦在 S 2p 譜中有變化，相應過渡金屬譜也有對應信號，元素結合能可識別為氧化物、硫化物及鎢的碳化物相。 三氧化鉬對二硫化鉬在空氣中的潤滑性能有害。三種共沉積涂層氧化物信號降低，純二硫化鉬峰值顯著。MoS₂+Ti 中鈦氧化物形成減少了三氧化鉬生成，在空氣中有效潤滑，但在 UHV 條件下會導致潤滑失效。Ta 優(yōu)先氧化生成 Ta₂O₅，是耐磨涂層，且 TaS₂在真空和空氣中均為有效潤滑劑。MoS₂+WC 中 W 光譜鉬氧化物強度最低，但三氧化鎢的研磨性不利于其在空氣中的潤滑，且 W 更易形成單獨的 WC 相。 MoS₂+Ta 涂層憑借摩擦機械適應性，以及硫化物和氧化物狀態(tài)，在陸地潮濕空氣和深空超高真空中均能實現(xiàn)高性能潤滑，形成的摩擦膜和機械響應可適應不同環(huán)境，維持低磨損狀態(tài)。Ta 優(yōu)先氧化降低鉬氧化程度，形成 TaS₂相，提升了涂層潤滑能力。 結論 自 20 世紀 50 年代，二硫化鉬潤滑劑涂層應用于空間領域，但面臨工程挑戰(zhàn)。本文展示的新型 MoS₂+Ta 潤滑劑涂層，在陸地和深空環(huán)境中均展現(xiàn)優(yōu)異潤滑性能。二硫化鉬氣相沉積過程中添加 10% Ta，改變了涂層成分、結構和力學性能，提升跨環(huán)境潤滑性能。MoS₂+Ta 在不同環(huán)境下形成不同摩擦膜，實現(xiàn)可持續(xù)潤滑。通過形成非研磨性鉭氧化物和 TaS₂相，增強了雙環(huán)境下的性能。本次實驗 1000 個循環(huán)中，涂層摩擦膜穩(wěn)定，無涂層耗盡跡象，有望擁有更長使用壽命，后續(xù)將進一步研究。MoS₂+Ta 潤滑的成功應用，有望提升下一代航天器組件的任務性能，延長潤滑壽命 。 |
回復此樓» 收錄本帖的淘帖專輯推薦
 硫化物固體電解質(zhì) |
» 猜你喜歡
招收26年秋季入學博士生（北科大高精尖學院 力學超材料/機器學習/增材制造相關方向）
已經(jīng)有18人回復
-
26年申博自薦-本碩雙非-一篇歐陶一作一篇國陶在投-碳化硅陶瓷增材制造方向
已經(jīng)有12人回復
-
無機非金屬材料論文潤色/翻譯怎么收費?
已經(jīng)有278人回復
-
求助JCPDS卡片65-1073
已經(jīng)有0人回復
-
淄博無機非金屬材料測試
已經(jīng)有0人回復
-
天津理工大學功能晶體研究院（晶體材料全國重點實驗室）招收2026年博士研究生
已經(jīng)有2人回復
-
天津理工大學功能晶體研究院（晶體材料全國重點實驗室）招收2026年博士研究生
已經(jīng)有8人回復
-
天津理工大學功能晶體研究院（晶體材料全國重點實驗室）招收2026年博士研究生
已經(jīng)有0人回復
-
天津理工大學功能晶體研究院（晶體材料全國重點實驗室）招收2026年博士研究生
已經(jīng)有1人回復
-
085600 321求調(diào)劑
已經(jīng)有0人回復
» 本主題相關商家推薦: (我也要在這里推廣)
» 搶金幣啦！回帖就可以得到:
-
中山大學柔性電子學院黃維院士團隊博士后招聘--化學合成、器件制備等相關背景
+3/459
-
南京工業(yè)大學楊建教授聯(lián)合蘇州實驗室/上硅所聯(lián)合培養(yǎng)博生研究生
+1/183
-
Ph.D. Opportunity in Mechanical Engineering – Fall 2026
+2/144
-
哈爾濱理工大學機械學院陳濤教授課題組面向秀學生招收2026級博士研究生
+1/86
-
北京信息科技大學智能機器人技術方向，聯(lián)合清華培養(yǎng)碩生、博生，并長期招博士后
+1/84
-
燕山大學機械工程學院Marian Wiercigroch院士團隊招收2026年博士2人，碩士15人
+1/82
-
江西南部某一本高校招收環(huán)境、生物、計算機、農(nóng)業(yè)等專業(yè)調(diào)劑生
+1/82
-
招聘換能器工程師/聲學工程師�。。�
+1/81
-
2026年植物保護學/農(nóng)業(yè)昆蟲與害蟲防治/農(nóng)藥學/植物病理學相關專業(yè)招收碩士研究生
+1/71
-
海南大學吳道雄&邱天宇老師團隊招收博士生與招聘博士后
+5/70
-
86年歐洲荷比盧老留友征婚國內(nèi)湖南
+1/58
-
澳大利亞皇家墨爾本理工大學（RMIT）理學院 院士團隊2026招收CSC博士生
+1/39
-
西安工程大學環(huán)境與化學工程學院-王寧課題組招化學、環(huán)境、生物相關專業(yè)碩士2名
+1/34
-
招聘計算化學/藥物設計科學家
+1/33
-
2026年浙江清華長三角研究院智慧能源中心招聘博士后-電氣方向
+1/19
-
【博士后/科研助理 招聘-北京理工大學-集成電路與電子學院-國家杰青團隊】
+1/16
-
中國科學院贛江創(chuàng)新研究院 招聘科研助理
+1/15
-
復試可能過不了想調(diào)劑
+1/4
-
上海交通大學化學化工學院張智濤課題組誠聘博士后
+1/3
-
化學、化學工程與技術專業(yè)、材料工程專業(yè)-分子模擬研究方向-招收調(diào)劑
+1/1
7樓2025-08-12 09:30:11
簡單回復
tzynew2樓
2025-07-25 13:47
回復
艾因斯(金幣+1): 謝謝參與
k 發(fā)自小木蟲手機客戶端
| 最具人氣熱帖推薦 [查看全部] | 作者 | 回/看 | 最后發(fā)表 | |
|---|---|---|---|---|
|
[考研] 0307化學求調(diào)劑 +6 | 0ok0k 2026-03-07 | 6/300 |
|
|---|---|---|---|---|
|
[考研] 材料學碩318求調(diào)劑 +21 | February_Feb 2026-03-01 | 24/1200 |
|
|
|
[考研] 083000，總分284，求調(diào)劑 +3 | 徐yr 2026-03-04 | 3/150 |
|
|
|
[考研] 復試調(diào)劑 +5 | 呼呼？~+123456 2026-03-05 | 5/250 |
|
|
|
[考研] 一志愿武理085601專碩347分求調(diào)劑 +4 | 啊歐歐歐 2026-03-04 | 5/250 |
|
|
|
[考研] 334求調(diào)劑 +3 | Trying] 2026-03-03 | 4/200 |
|
|
|
[考研]
材料學學碩308分/本科東北大學/一志愿西北工業(yè)大學/
5+3
|
蘇堯幺幺 2026-03-03 | 8/400 |
|
|
|
[考研] 301求調(diào)劑 +4 | 李LJR 2026-03-04 | 4/200 |
|
|
|
[考研] 274環(huán)境工程求調(diào)劑 +6 | 扶柳盈江 2026-03-05 | 6/300 |
|
|
|
[考研] 一志愿清華深研院材料專碩294分，專業(yè)課111分，本科中南大學材料，有六級，有工作經(jīng)驗 +3 | H14528 2026-03-04 | 3/150 |
|
|
|
[考研] 302材料工程求調(diào)劑 +7 | Doleres 2026-03-01 | 8/400 |
|
|
|
[考研] 307求調(diào)劑 +4 | xuyuan111 2026-03-04 | 5/250 |
|
|
|
[考研] 312求調(diào)劑 +8 | 醋精華了一下發(fā)?/a> 2026-03-03 | 10/500 |
|
|
|
[考研] 能動297求調(diào)劑，本科川大 +4 | 邵11 2026-03-04 | 4/200 |
|
|
|
[考研] 325求調(diào)劑 +5 | 學家科 2026-03-04 | 5/250 |
|
|
|
[考研] 0856材料工程，初試313調(diào)劑 +7 | 賣個關子吧 2026-03-03 | 7/350 |
|
|
|
[考研] 299求調(diào)劑 +5 | kkcoco25 2026-03-02 | 9/450 |
|
|
|
[考研] 291求調(diào)劑 +3 | MuoLuo1312 2026-03-02 | 6/300 |
|
|
|
[考研] 清華大學 材料與化工 353分求調(diào)劑 +5 | awaystay 2026-03-02 | 6/300 |
|
|
|
[考研] 11408，學碩276求調(diào)劑 +3 | 崔wj 2026-03-02 | 5/250 |
|