| 题名 | MoS_2基多层薄膜结构设计及其摩擦学性能研究 |
| 作者 | 贺腾飞 |
| 答辩日期 | 2017 |
| 导师 | 吴有智 ; 王鹏 |
| 关键词 | 磁控溅射 多层薄膜 调制比 调制周期 氮气流量 结构 力学性能 摩擦学性能 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 英文摘要 | 采用磁控溅射沉积技术,在单晶硅（100）基底上分别制备了两种不同体系MoS2基多层薄膜:MoS2/DLC（类金刚石碳）多层薄膜和MoS2/MSN（Mo-S-N复合薄膜）多层薄膜,并考察了调制周期（即双层膜厚度,Λ）对MoS2/DLC多层膜结构及摩擦学性能的影响,以及调制比、调制周期和氮气流量分别对MoS2/MSN多层膜结构及摩擦学性能的影响。利用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜、纳米压痕仪分别研究了MoS2基多层薄膜形貌、微观结构及力学性能,并利用球-盘摩擦试验机对薄膜在大气或真空环境下润滑性能进行考察。本论文着重考察了薄膜结构、力学及摩擦学性能三者之间的内在联系,其主要研究结果如下:1、采用多靶射频磁控溅射方法,在氩气（Ar）气氛下溅射MoS2靶和石墨靶制备不同调制周期（Λ分别为54 nm、30 nm、18 nm）MoS2/DLC多层薄膜。结果表明:交替沉积MoS2/DLC亚层可有效抑制溅射MoS2柱状结构生长,薄膜结构致密。另外,多层膜硬度随调制周期增加而增大。与纯MoS2薄膜相比,调制周期为54 nm多层薄膜具有较好的法向承载及弹性恢复能力,其硬度可达7.15 GPa。透射断面分析表明:该多层膜层间界面不平整但周期性结构清晰且致密,其调制周期厚度与试验设定值基本一致。法向载荷为5 N时,该多层薄膜在大气环境（相对湿度约30%）下具有最低的摩擦系数（0.09）和最低的磨损率（1.34×10-7mm3/（N·m））。2、采用射频/反应磁控溅射方法,在氮气（N2）和氩气（Ar）混合气氛下溅射MoS2单靶,制备了系列不同调制比（tMSN:t MoS2=1:3、1:2、1:1、2:1和3:1）,不同调制周期（Λ:12108 nm）以及不同氮气流量（020 sccm）MoS2/MSN多层薄膜。结果表明:交替沉积MoS2/MSN多层薄膜可有效抑制溅射MoS2薄膜柱状晶结构生长,其结构致密且呈现非晶态。（1）当Ar/N2流量比设定为40/4 sccm时,MoS2/MSN多层膜硬度随调制比（tMSN:t MoS2）增加而呈现先快速增大后缓慢增大的趋势,调制比为1:1时硬度达到2.3 GPa,最大达到2.44 GPa,考虑到摩擦要求选定调制比为1:1（后续所有实验选用该比例）。（2）固定Ar/N2流量比为40/4 sccm,MoS2/MSN多层膜硬度随调制周期增加而增大,硬度变化范围为0.92.38 GPa,考虑到摩擦要求选定调制周期为30 nm。（3）当调制周期固定为30 nm时,MoS2/MSN多层膜硬度随氮气流量增加而先增大后减小的趋势,硬度在2.2610.47 GPa间变化,氮气流量为10 sccm时薄膜硬度达到最大值10.47 GPa。固定Ar/N2流量比为40/6 sccm时,MoS2/MSN多层膜硬度随调制周期增加而呈现先增加后降低的趋势,硬度在1.064.13 GPa间变化,调制周期为30 nm多层薄膜的硬度和弹性恢复量均达到最大,分别为4.13 GPa和41.0%。3、摩擦结果分析表明:在高真空（1.3×10-3 Pa）环境和法向载荷为3 N下,调制周期为1830 nm（调制比为1:1）和氮气流量为410 sccm时,MoS2/MSN多层薄膜表现出低的摩擦系数（小于0.035）、磨损率（小于1.0×10-6 mm3/（N·m））和长的耐磨寿命。特别地,调制周期为30 nm和氮气流量为410 sccm时,MoS2/MSN多层薄膜表现出“超润滑”现象。在长时间摩擦（1.8×105转）过程中,其摩擦系数（Co F）可降至0.004左右,超低摩擦状态（Co F小于0.01）可持续时间约8.0×104转,磨损率可降至4.68×10-7 mm3/（N·m）。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 101 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/92535]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 贺腾飞. MoS_2基多层薄膜结构设计及其摩擦学性能研究[D]. 2017. |
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