W-S-C(N)薄膜结构及摩擦学性能研究进展

掺杂金属元素、非金属元素以及制备多层复合薄膜的方法，获得了结构优化的薄膜，来 改善10

关键词：摩擦与磨损；W-S-C(N)薄膜；微观结构

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of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016;

2. College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016)

Abstract: Friction and wear were the major causes of the mechanical components' failures. Solid

lubricants were noticed by many scholars due to their good properties of antifriction and wear 25

resitance in harsh enviroment . WS2 solid lubrication films possessed ultralow friction coefficient

in vaccum and dry conditions , but they can easily be oxidized in humid air, which made their

tribological propertirs be worse. Therefore, researchers have used the methods of metals and

non-metals doping and preparation of multilayer composite films to obtain the optimum structure

of film, and then to improve the tribological properties of WS2 films in humid air. The 30

重载和超真空等）能长期稳定运行的要求，而流体及半流体润滑剂（如润滑油、润滑脂）在40

过渡金属硫化物（如MoS

对于MoS

来说可提高约100℃）成为近年来研究的热点。为了改善WS

薄膜在潮湿空气下的50

摩擦学性能，研究人员通过在WS

（复合薄膜的性能如表1所示），

制备多层复合薄膜（如WC/DLC/WS

等方法，获得了结构致密、摩擦学性能优化的薄膜。其中碳基薄膜（如a-C，DLC，a-CN

膜复合，极有可能同时获得WS

薄膜W-S-C-N薄膜的研究鲜见报道，三元纳米复合薄膜W-S-C和W-S-N是广大学者们研究的

重点。

量和膜基结合力等。Nossa 等人

和氩气的流量比制备了不同 C 含量的 W-S-C70

薄膜。从 W-S-C 薄膜的 X 射线衍射图样（如图 1）可以看出，纯 WS

薄膜呈现出 WS

（100）

六方择优取向，该峰右边不对称部分由一系列单层 S-W-S（100）、（101）和（102）晶面

说明 C 元素应该位于 WS

和氩气的流量比为 20%时，薄膜的结晶度大幅降

膜结构疏松，表现出明显的 WS

W-S-C 薄膜中 C 含量提高，WS

膜的硬度也随之增加。可见，W-S-C 薄膜中 C 含量的提高，会使薄膜向非晶化转变，形成

致密的薄膜结构，从而提高 W-S-C 薄膜的硬度。

除了对硬度有明显的提高作用之外，C 元素对薄膜粘附力也有明显的改善作用。Nossa

利用射频磁控溅射方法制备了具有 Ti 中间层的不同 C 含量的 Ti/W-S-C 薄膜，指出：

相对于 Ti/WS

薄膜，低碳含量的 Ti/W-S-C 薄膜粘附力只有少量的提高（从 5N 增加到 7N），

薄膜和中间层之间容易出现剥落；随着碳含量的增加，Ti/W-S-C 薄膜粘附力得到明显的提90

果表明：1）反应溅射的 W-S-C:H 薄膜由于 H

S 的生成而带走部分 S 原子，S/W 比低于共溅95

射 W-S-C 薄膜，并且随着 C 含量的增加而降低，因此反应溅射的 W-S-C:H 薄膜，低 C 含量

时呈现出 WS

保持恒定值（大于 1.5），始终呈现出非晶结构。2）虽然晶相结构不同，两种方法制备的

W-S-C:H 和 W-S-C 薄膜的硬度均随着 C 含量的增大而呈现出先增大后降低的趋势（在 C 为

40at.%时，达到最大值，见图 2a）。当 C 含量不高于 60at.%时，W-S-C 薄膜硬度低于 W-S-C:H100

薄膜的硬度，但是对于高 C 含量（约 62at.%），W-S-C 薄膜硬度却高于 W-S-C:H 薄膜的硬