施凱烽，謝 鳳

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

納米二硫化鎢薄膜的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

施凱烽，謝 鳳

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

納米二硫化鎢薄膜有著非常優(yōu)異的性能：物化性能穩(wěn)定、導(dǎo)電性特殊、有特殊的潤(rùn)滑性能。應(yīng)用于新型潤(rùn)滑領(lǐng)域，可以抵抗苛刻環(huán)境的影響；應(yīng)用于高溫模鍛行業(yè)，制造出的工件材質(zhì)均勻、強(qiáng)度好。因此，納米二硫化鎢薄膜有著非常好的應(yīng)用前景，但是大規(guī)模工業(yè)化還需要一定的過(guò)程。

納米；二硫化鎢薄膜；應(yīng)用

近些年來(lái)，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，在這個(gè)過(guò)程中，設(shè)備運(yùn)行的工況條件也越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越多樣化，許多工況都是比較苛刻的高溫、高壓和強(qiáng)輻射環(huán)境。這樣的工況條件就要求設(shè)備具有良好的性能和較長(zhǎng)的使用壽命，也對(duì)設(shè)備的潤(rùn)滑和制作設(shè)備的工件均勻度和強(qiáng)度提出了更高的要求。目前傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油無(wú)法滿足各種工況條件，而傳統(tǒng)的高溫模鍛也很難做出均質(zhì)、強(qiáng)度高的工件[1-3]。做為新型潤(rùn)滑材料的二硫化鎢有著非常優(yōu)秀的性能，尤其是在一些特殊的應(yīng)用情況下，比如溫度高、壓強(qiáng)大、真空度高、負(fù)荷大的情況下，或者有輻射和腐蝕的環(huán)境情況下，它的優(yōu)良性能表現(xiàn)尤為突出，而且二硫化鎢所具有的優(yōu)良性能，還決定了將其應(yīng)用于高溫模鍛行業(yè)也會(huì)取得良好的效果[4]。通過(guò)將二硫化鎢用于納米二硫化鎢薄膜，就能制造出一種具有特殊層狀結(jié)構(gòu)的膜，這種膜具有很強(qiáng)的抗氧化能力，同時(shí)能在更為廣泛的溫度范圍內(nèi)適用[5]。另外，在摩擦學(xué)方面，由于其具有較小的摩擦系數(shù)，近年來(lái)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 納米二硫化鎢薄膜的基本特性

二硫化鎢是一種具有金屬光澤的，深灰色的結(jié)晶性粉末，它是一種層狀的六方晶體晶系結(jié)構(gòu)，密度介于7.4 g/m3和7.5 g/m3之間。從微觀上講，二硫化鎢晶體具有三個(gè)平面單元層，分別為S-W-S，單元層內(nèi)的鎢原子被硫原子包圍，而硫原子呈三棱形分布，兩兩相連的原子之間具有很強(qiáng)的鍵，能帶間隙可以達(dá)到1.8 eV之高，不同層之間靠分子力連接，鍵力很弱，導(dǎo)致兩層之間很容易斷開(kāi)，這也是為什么二硫化鎢的固體潤(rùn)滑性能優(yōu)秀的原因。下面分別對(duì)其具有的特性進(jìn)行說(shuō)明[6-8]。

1.1 具有穩(wěn)定的物化特性

在空氣中，二硫化鎢非常穩(wěn)定，在水、油脂、醇類(lèi)等有機(jī)溶劑中，由于其具有化學(xué)惰性，不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也非常穩(wěn)定，另外在有輻射和腐蝕性酸、堿存在的情況下，也表現(xiàn)出其良好的性能。二硫化鎢還具有一些可觀的性能，比如能夠很好的吸附在金屬表面，并且不與金屬發(fā)生反應(yīng)；能夠在熔融的碳酸鹽中溶解；在有氧化劑的情況下，也能大量的溶解于碳酸鹽中，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以廣泛應(yīng)用。

1.2 具有特殊的導(dǎo)電性

二硫化鎢薄膜的導(dǎo)電性具有非常特殊的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)圧縮成形的二硫化鎢的粉末，隨著壓力的增加，其固有電阻將會(huì)降低。如果是在真空條件下進(jìn)行加熱，將會(huì)呈現(xiàn)出負(fù)溫度特性，這種性質(zhì)與半導(dǎo)體類(lèi)似，出現(xiàn)固有電阻變小的現(xiàn)象。然而，如果是在非真空的空氣狀態(tài)下，固有電阻在300℃以下并沒(méi)有明顯變化，只有在300℃以上時(shí)會(huì)出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象。

1.3 潤(rùn)滑特性

二硫化鎢的摩擦系數(shù)與環(huán)境有很大的關(guān)系，在空氣中摩擦系數(shù)增加，在真空中會(huì)變小，即使摩擦中止，摩擦系數(shù)也會(huì)因?yàn)楸砻嫔衔降纳啥龃蟆６蚧u制成的薄膜具有更強(qiáng)的環(huán)境依存特性，摩擦系數(shù)會(huì)在濕空氣下顯著增大。常溫情況下，載荷和速度高時(shí)，摩擦學(xué)性能高。在空氣條件下，溫度稍高于常溫時(shí)，具有很好的耐磨損性。與活潑金屬接觸加熱，在高溫情況下，仍具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2 納米二硫化鎢薄膜的研究進(jìn)展

從1962年起至1971年，對(duì)二硫化鎢的應(yīng)用僅限于美國(guó)水手號(hào)太空船，用于潤(rùn)滑太空船的關(guān)鍵部位。隨著納米二硫化鎢薄膜技術(shù)的不斷發(fā)展，美國(guó)已經(jīng)將二硫化鎢固體潤(rùn)滑薄膜技術(shù)應(yīng)用于除航天飛機(jī)之外的軍用領(lǐng)域，如軍用戰(zhàn)斗機(jī)和其它軍用機(jī)械的潤(rùn)滑。另外，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)部分、高真空環(huán)境下的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、特殊條件下的滑動(dòng)部件等領(lǐng)域也開(kāi)始受到廣泛應(yīng)用[9-11]。實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，納米二硫化鎢薄膜的應(yīng)用能夠極大的提高轉(zhuǎn)動(dòng)工件的使用壽命，一般能夠達(dá)到原始?jí)勖?.5～4倍。由于二硫化鎢薄膜擁有層狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)形成薄膜的粒子又具有低硬度、耐高溫的特性，這就決定了納米二硫化鎢薄膜具有在特殊環(huán)境狀況下做為潤(rùn)滑劑使用的功能。從二十世紀(jì)九十年代后期開(kāi)始，納米二硫化鎢薄膜技術(shù)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于航空、精密儀器和特殊環(huán)境條件下的潤(rùn)滑。

3 納米二硫化鎢薄膜的應(yīng)用

3.1 納米二硫化鎢薄膜應(yīng)用于新型潤(rùn)滑領(lǐng)域

做為一種潤(rùn)滑減磨材料，納米二硫化鎢做為固體潤(rùn)滑材料中的一種，因其近乎完美的潤(rùn)滑性能和良好的潤(rùn)滑效果，而受到了科學(xué)界普遍的認(rèn)可。在空氣環(huán)境下,二硫化鎢可以在-270～650℃溫度范圍內(nèi)工作，但是在真空環(huán)境下,它可以在-188～1316℃范圍內(nèi)工作。也正是基于二硫化鎢的這一性能，長(zhǎng)期以來(lái)它被美國(guó)宇航局用于航空、航天、軍事等環(huán)境條件比較復(fù)雜和惡劣領(lǐng)域的潤(rùn)滑材料。然而，隨著現(xiàn)代社會(huì)材料科學(xué)的發(fā)展，二硫化鎢這種以往只能用于高、精、尖領(lǐng)域的潤(rùn)滑作用的物質(zhì)開(kāi)始逐漸廣泛用于民用的汽車(chē)工業(yè)。被稱(chēng)為汽車(chē)工業(yè)血液的發(fā)動(dòng)機(jī)油長(zhǎng)期以來(lái)伴隨著汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)步而不斷發(fā)展,據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家消耗的發(fā)動(dòng)機(jī)油的量是總潤(rùn)滑油量的一半左右。隨著近些年來(lái)對(duì)環(huán)保和節(jié)能的要求日益嚴(yán)格,而傳統(tǒng)的礦物基發(fā)動(dòng)機(jī)油非常容易污染環(huán)境，因此，全球大的石油公司都開(kāi)始了對(duì)綠色發(fā)動(dòng)機(jī)有的研制開(kāi)發(fā)。而目前的綠色發(fā)動(dòng)機(jī)油存在高溫環(huán)境下，基礎(chǔ)油極易被氧化，一旦被氧化，綠色發(fā)動(dòng)機(jī)油便失去其本來(lái)的潤(rùn)滑性能。所以，提高發(fā)動(dòng)機(jī)油在高溫環(huán)境下的抗氧化性是綠色發(fā)動(dòng)機(jī)油研制過(guò)程中的關(guān)鍵性問(wèn)題。

至今為止,國(guó)內(nèi)外的科研工作者已做了大量的工作，致力于高溫抗氧劑的研究和改性基礎(chǔ)油的研制，主要的目的是提高綠色發(fā)動(dòng)機(jī)油在高溫環(huán)境下的抗氧性能。另外，也有一部分科研人員研究將耐高溫固體潤(rùn)滑材料添加到綠色發(fā)動(dòng)機(jī)油中以提高發(fā)動(dòng)機(jī)油在高溫環(huán)境下的使用壽命[12]。在這一方面做的比較成功的是美國(guó)PetrolMoly公司開(kāi)發(fā)的PetrolMoly發(fā)動(dòng)機(jī)油。這是一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)油，它其中的有效成分是二硫化鉬固體潤(rùn)滑顆粒。行車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果表明,添加二硫化鉬的PetrolMoly發(fā)動(dòng)機(jī)油比傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)油氮氧化物的排放量降低73%，并且提高了10%的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低油耗37%。這種添加二硫化鉬的發(fā)動(dòng)機(jī)油被聯(lián)合國(guó)作為新技術(shù)、新產(chǎn)品向各成員國(guó)推薦，鼓勵(lì)作為新產(chǎn)品使用。而與鉬同為VIB族元素的鎢，具有與鉬相似的化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)比鉬擁有更穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和更重的質(zhì)量，而且，實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，二硫化鎢的抗氧化性和熱穩(wěn)定性比二硫化鉬更為優(yōu)越。這一發(fā)現(xiàn)促使國(guó)內(nèi)相當(dāng)多的科研人員開(kāi)始了將二硫化鎢用于高溫潤(rùn)滑脂的研究，并且已經(jīng)取得了可觀的成效[13]。

楊坤玉等在高性能綠色發(fā)動(dòng)機(jī)油的研制過(guò)程中,為了延長(zhǎng)綠色潤(rùn)滑油的使用壽命和在極端環(huán)境條件下使用的可能性，而在綠色潤(rùn)滑油中添加納米二硫化鎢粉末。從摩擦學(xué)性能方面來(lái)說(shuō)，納米二硫化鎢對(duì)于基礎(chǔ)油減摩性能的提高非常有效，同時(shí)對(duì)極壓抗磨性能的提高也很有效，并且在高溫、腐蝕情況下，基礎(chǔ)油的抗磨損性能仍然保持的很好。而且，作為與二硫化鉬同類(lèi)的固體潤(rùn)滑材料,二硫化鎢在提高基礎(chǔ)油抗磨損性能方面，具有更有優(yōu)良效果[14]。另外，研究中還發(fā)現(xiàn)，隨著逐漸增加納米二硫化鎢量添加量，吸附膜將會(huì)逐漸變得更為致密完整，潤(rùn)滑的效果也有變好的趨勢(shì)。在摩擦占據(jù)主導(dǎo)地位的高載荷下邊界，伴隨摩擦生熱的加快，納米二硫化鎢薄膜也呈現(xiàn)出了更高的活性，二硫化鎢在摩擦副表面的吸附層是實(shí)現(xiàn)減摩抗磨的主要原因。盡管，隨著納米二硫化鎢添加量的不斷，基礎(chǔ)油抗磨性能顯著提高，但是并不會(huì)無(wú)限制提高，當(dāng)添加量超過(guò)9.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，潤(rùn)滑性能將會(huì)隨著納米二硫化鎢的碰撞聚集而產(chǎn)生相反的效果，即乳化液潤(rùn)滑性能下降。

3.2 水基納米二硫化鎢薄膜在等溫模鍛中的應(yīng)用

等溫模鍛指的是在保持模具和工件處于等溫的情況下，依靠控制緩慢的成形速度，來(lái)達(dá)到模鍛成形的目的。研究顯示，在高溫環(huán)境下，工件的應(yīng)變速率變形比較緩慢，此時(shí)變形材料的結(jié)晶可以更為充分和徹底，這樣就能夠有效避免加工硬化的造成的不良影響[15]?？朔思庸び不膯?wèn)題，那么具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及高強(qiáng)度的工件的加工變具有了可能性。然而，在進(jìn)行模鍛成形時(shí)，金屬流動(dòng)會(huì)受到摩擦的阻礙，造成鍛壓載荷變大，變形能被消耗，工件組織將會(huì)出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，甚至模膛充型無(wú)法充分填充，以至于影響了模具使用周期，因此，在這個(gè)過(guò)程中，潤(rùn)滑劑的使用尤為重要。市場(chǎng)上目前用于熱模鍛的潤(rùn)滑劑一般都是石墨系潤(rùn)滑劑，類(lèi)型非常單一。在高溫情況下，石墨的潤(rùn)滑性能比較好，但缺點(diǎn)是石墨的隔熱保溫性能非常不理想，因?yàn)樗菬岬牧紝?dǎo)體。另一方面，由于石墨不能很好的附著在金屬表面，這就極大的影響了這種潤(rùn)滑劑用于等溫模鍛的可能性[16]。研究發(fā)現(xiàn)，二硫化鎢是一種層片狀固體潤(rùn)滑材料，這一點(diǎn)與石墨的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，而且相比于石墨，二硫化鎢的抗極壓、耐高溫性能非常優(yōu)越，同時(shí)還能夠很好吸附于金屬表面，最重要的是二硫化鎢還是熱的不良導(dǎo)體。前面提到，美國(guó)水手號(hào)太空飛船最早應(yīng)用二硫化鎢用于其關(guān)鍵部位的潤(rùn)滑，近些年來(lái)，一些極端條件下以及一些尖端工件的潤(rùn)滑也開(kāi)始逐步使用二硫化鎢薄膜潤(rùn)滑，并且應(yīng)用的效果也非常好。石琛經(jīng)過(guò)研究研究合成了一種水基納米二硫化鎢薄膜潤(rùn)滑劑，非常適合用于等溫模鍛。通過(guò)實(shí)驗(yàn)將這種節(jié)能環(huán)保的水基潤(rùn)滑劑用于鋁合金的等溫模鍛工藝中，以制備出高強(qiáng)度鋁合金工件，獲得了非常好的效果。石琛所研制出的納米二硫化鎢顆粒是由微米級(jí)的二硫化鎢顆粒制成的，這種微米級(jí)顆粒又是通過(guò)多能場(chǎng)復(fù)合濕式法進(jìn)行粉碎的。這種納米二硫化鎢的結(jié)構(gòu)呈層片狀，粒徑處于40～300 nm范圍內(nèi)，而且粒徑平均為59 nm[17]。通過(guò)進(jìn)行高強(qiáng)度鋁合金工藝實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)納米薄膜潤(rùn)滑劑可以吸附在磨具表面形成致密的吸附膜，顆粒分布較為均勻，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，如果是石墨，那么形成吸附膜非常疏松。所以，將納米二硫化鎢薄膜制成水基潤(rùn)滑劑，用于模鍛過(guò)程，具有環(huán)保、高效、油煙少的優(yōu)點(diǎn)，比現(xiàn)在的其它的潤(rùn)滑劑的效果都要好。

4 結(jié)論

當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步發(fā)展，工作環(huán)境也日益復(fù)雜：超高溫、超低溫、高真空、高速或者大劑量輻射環(huán)境，這就對(duì)潤(rùn)滑劑材料以及工件制備的質(zhì)量提出了更嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油模鍛工藝無(wú)法達(dá)到要求，這就加速了潤(rùn)滑油行業(yè)和模鍛工藝的發(fā)展。膜技術(shù)得以發(fā)展。納米二硫化鎢薄膜應(yīng)用于新型潤(rùn)滑行業(yè)中，可以在延長(zhǎng)潤(rùn)滑油使用壽命的同時(shí)，提高了其應(yīng)用于極端條件下的可能性；在高溫模鍛中，這種材料具有成型好、制作工件均勻，以及綠色、高效的優(yōu)點(diǎn)。鑒于二硫化鎢薄膜具有如此優(yōu)異的性能，其應(yīng)用前景也是非常廣闊的。然而現(xiàn)在，在其制作的工藝上，不同的研究者技術(shù)千差萬(wàn)別，各有千秋，因此未來(lái)大規(guī)模的工業(yè)化還需要一定的時(shí)間。

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(本文文獻(xiàn)格式：施凱烽，謝 鳳.納米二硫化鎢薄膜的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].山東化工,2017,46(5):59-60,62.)

Research Status About the Application of Nano-tungsten Disulfide Thin Films

ShiKaifeng,XieFeng

(Air Force Service College,Xuzhou 221000,China)

The nano-tungsten disulfide film which has a very excellent performance: stability physical and chemical properties,special conductivity,and special lubricating properties. That was used in the field of new lubrication,can resist the impact of harsh environment; and used in high-temperature die forging industry,can create a uniform workpiece material,which have good strength. Therefore,the nano-tungsten disulfide film has a very good application prospects,but large-scale industrialization also need a certain process.

nano;two tungsten sulfide thin film;application

2017-01-04

施凱烽(1993—)，男,浙江東陽(yáng)人,在讀碩士研究生,主要從事航空油料應(yīng)用技術(shù)的研究工作。

TQ136.1+3

A

1008-021X(2017)05-0059-02