蘭州化物所二硫化鉬/類金剛石碳復(fù)合薄膜研究取得系列進(jìn)展

　　隨著航空航天、先進(jìn)核能等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，其機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件服役工況也愈加多變、復(fù)雜、苛刻，對(duì)表面潤(rùn)滑與防護(hù)薄膜材料抗輻照、多特性等方面提出愈來愈高的要求，致使傳統(tǒng)過渡金屬二硫化物薄膜（TMD）及類金剛石碳膜（DLC）等單一組分的潤(rùn)滑薄膜材料面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

　　中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室輻照環(huán)境下潤(rùn)滑與防護(hù)材料組王鵬、許佼近年來一直致力于TMD/DLC二元復(fù)合及其多元摻雜薄膜的研究。近期，該課題組首次成功制備了Mo-S-N 二元復(fù)合薄膜以及Mo-S-C-N多元復(fù)合薄膜，并對(duì)其性能進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明：非金屬元素C/N共摻雜使濺射薄膜表面更為致密平整，斷面柱狀結(jié)構(gòu)特征顯著減弱。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的C/N共摻雜可有效降低N摻雜MoS2薄膜對(duì)潮濕大氣環(huán)境的敏感性，在大幅提升薄膜機(jī)械強(qiáng)度和韌性的同時(shí)保持薄膜在真空及潮濕大氣中的低摩擦、耐磨損性能，并且在空間及聚變輻照環(huán)境下表現(xiàn)出良好的抗輻照性能，為實(shí)現(xiàn)該復(fù)合薄膜體系低摩擦、抗輻照與自適應(yīng)性的一體化協(xié)同開辟了新途徑。

　　通過摩擦界面微區(qū)分析發(fā)現(xiàn)，TMD/DLC復(fù)合薄膜體系的自適應(yīng)性受非潤(rùn)滑相被選擇性轉(zhuǎn)移出接觸表面的演變過程影響顯著：在摩擦化學(xué)反應(yīng)中，潤(rùn)滑相的定向有序化程度決定了薄膜的最低摩擦系數(shù)，非潤(rùn)滑相的選擇性轉(zhuǎn)移程度決定了薄膜的最低磨損率。同時(shí)，自適應(yīng)復(fù)合薄膜微納結(jié)構(gòu)與選擇性轉(zhuǎn)移行為之間亦存在明顯關(guān)聯(lián)，(002)晶面取向擇優(yōu)的MoS2富集層非常有利于薄膜在真空及干燥氣氛中快速形成二維層狀結(jié)構(gòu)高度定向有序的TMD轉(zhuǎn)移膜（圖1），使薄膜磨合時(shí)間明顯縮短，該工作為優(yōu)化潤(rùn)滑相與非潤(rùn)滑間不同摩擦化學(xué)反應(yīng)的協(xié)同效應(yīng)提供了技術(shù)支持。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces.7 (2015) 12943-12950, J. Phys. D: Appl. Phys. 48 (2015) 175304，Surf. Coat. Technol.296 (2016) 185-191, Appl. Surf. Sci. 364 (2016) 249-256, Sci. Rep.6 (2016) 25378, Fusion Eng. Des. 104 (2016) 40-45, 摩擦學(xué)學(xué)報(bào). 36 (2016) 1-6, Appl. Surf. Sci.406 (2017) 30-38以及Phys. Chem. Chem. Phys. 19 (2017) 8161-8173等期刊，并被Phys. Chem. Chem. Phys.選為2017年19期封底（back cover圖2)。

　　以上工作解決了長(zhǎng)壽命、高載荷關(guān)節(jié)軸承表面鍍膜處理過程及復(fù)雜多變環(huán)境服役過程中遇到的承載力低、環(huán)境敏感導(dǎo)致薄膜失效等問題，在國(guó)內(nèi)EAST托卡馬克裝置遠(yuǎn)程操作臂關(guān)節(jié)軸承以及微小衛(wèi)星太陽能帆板二次展開機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑與防護(hù)領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用(圖3)。

　　該系列研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51227804 和 11475236）、蘭州化物所人才項(xiàng)目以及固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)期支持。

圖1. 自形成納米多層Mo-S-C-N薄膜及在真空環(huán)境下轉(zhuǎn)移膜截面HRTEM圖像 

圖2. 高真空環(huán)境下自形成納米多層薄膜MoS2/Mo-S-C選擇性轉(zhuǎn)移行為示意圖 

圖3. EAST托卡馬克裝置遠(yuǎn)程操作臂及Spark微小衛(wèi)星太陽能帆板二次展開機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑與防護(hù)