納米二硫化鎢薄膜的應用研究現狀

施凱烽，謝 鳳

(空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000)

納米二硫化鎢薄膜的應用研究現狀

施凱烽，謝 鳳

(空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000)

納米二硫化鎢薄膜有著非常優異的性能：物化性能穩定、導電性特殊、有特殊的潤滑性能。應用于新型潤滑領域，可以抵抗苛刻環境的影響；應用于高溫模鍛行業，制造出的工件材質均勻、強度好。因此，納米二硫化鎢薄膜有著非常好的應用前景，但是大規模工業化還需要一定的過程。

納米；二硫化鎢薄膜；應用

近些年來，科學技術飛速發展，在這個過程中，設備運行的工況條件也越來越復雜、越來越多樣化，許多工況都是比較苛刻的高溫、高壓和強輻射環境。這樣的工況條件就要求設備具有良好的性能和較長的使用壽命，也對設備的潤滑和制作設備的工件均勻度和強度提出了更高的要求。目前傳統的潤滑油無法滿足各種工況條件，而傳統的高溫模鍛也很難做出均質、強度高的工件[1-3]。做為新型潤滑材料的二硫化鎢有著非常優秀的性能，尤其是在一些特殊的應用情況下，比如溫度高、壓強大、真空度高、負荷大的情況下，或者有輻射和腐蝕的環境情況下，它的優良性能表現尤為突出，而且二硫化鎢所具有的優良性能，還決定了將其應用于高溫模鍛行業也會取得良好的效果[4]。通過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構的膜，這種膜具有很強的抗氧化能力，同時能在更為廣泛的溫度范圍內適用[5]。另外，在摩擦學方面，由于其具有較小的摩擦系數，近年來越來越受到國內外學者的廣泛關注。

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，深灰色的結晶性粉末，它是一種層狀的六方晶體晶系結構，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平面單元層，分別為S-W-S，單元層內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的鍵，能帶間隙可以達到1.8 eV之高，不同層之間靠分子力連接，鍵力很弱，導致兩層之間很容易斷開，這也是為什么二硫化鎢的固體潤滑性能優秀的原因。下面分別對其具有的特性進行說明[6-8]。

1.1 具有穩定的物化特性

在空氣中，二硫化鎢非常穩定，在水、油脂、醇類等有機溶劑中，由于其具有化學惰性，不能發生化學反應，也非常穩定，另外在有輻射和腐蝕性酸、堿存在的情況下，也表現出其良好的性能。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，并且不與金屬發生反應；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，具有很強的穩定性，可以廣泛應用。

1.2 具有特殊的導電性

二硫化鎢薄膜的導電性具有非常特殊的特點，經過圧縮成形的二硫化鎢的粉末，隨著壓力的增加，其固有電阻將會降低。如果是在真空條件下進行加熱，將會呈現出負溫度特性，這種性質與半導體類似，出現固有電阻變小的現象。然而，如果是在非真空的空氣狀態下，固有電阻在300℃以下并沒有明顯變化，只有在300℃以上時會出現急劇增加的現象。

1.3 潤滑特性

二硫化鎢的摩擦系數與環境有很大的關系，在空氣中摩擦系數增加，在真空中會變小，即使摩擦中止，摩擦系數也會因為表面上吸附的生成而增大。二硫化鎢制成的薄膜具有更強的環境依存特性，摩擦系數會在濕空氣下顯著增大。常溫情況下，載荷和速度高時，摩擦學性能高。在空氣條件下，溫度稍高于常溫時，具有很好的耐磨損性。與活潑金屬接觸加熱，在高溫情況下，仍具有很強的穩定性。

2 納米二硫化鎢薄膜的研究進展

從1962年起至1971年，對二硫化鎢的應用僅限于美國水手號太空船，用于潤滑太空船的關鍵部位。隨著納米二硫化鎢薄膜技術的不斷發展，美國已經將二硫化鎢固體潤滑薄膜技術應用于除航天飛機之外的軍用領域，如軍用戰斗機和其它軍用機械的潤滑。另外，在計算機領域的硬盤驅動部分、高真空環境下的轉動系統、特殊條件下的滑動部件等領域也開始受到廣泛應用[9-11]。實際的運行經驗表明，納米二硫化鎢薄膜的應用能夠極大的提高轉動工件的使用壽命，一般能夠達到原始壽命的3.5～4倍。由于二硫化鎢薄膜擁有層狀結構，同時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境狀況下做為潤滑劑使用的功能。從二十世紀九十年代后期開始，納米二硫化鎢薄膜技術開始被廣泛應用于航空、精密儀器和特殊環境條件下的潤滑。

3 納米二硫化鎢薄膜的應用

3.1 納米二硫化鎢薄膜應用于新型潤滑領域

做為一種潤滑減磨材料，納米二硫化鎢做為固體潤滑材料中的一種，因其近乎完美的潤滑性能和良好的潤滑效果，而受到了科學界普遍的認可。在空氣環境下,二硫化鎢可以在-270～650℃溫度范圍內工作，但是在真空環境下,它可以在-188～1316℃范圍內工作。也正是基于二硫化鎢的這一性能，長期以來它被美國宇航局用于航空、航天、軍事等環境條件比較復雜和惡劣領域的潤滑材料。然而，隨著現代社會材料科學的發展，二硫化鎢這種以往只能用于高、精、尖領域的潤滑作用的物質開始逐漸廣泛用于民用的汽車工業。被稱為汽車工業血液的發動機油長期以來伴隨著汽車工業的進步而不斷發展,據統計，發達國家消耗的發動機油的量是總潤滑油量的一半左右。隨著近些年來對環保和節能的要求日益嚴格,而傳統的礦物基發動機油非常容易污染環境，因此，全球大的石油公司都開始了對綠色發動機有的研制開發。而目前的綠色發動機油存在高溫環境下，基礎油極易被氧化，一旦被氧化，綠色發動機油便失去其本來的潤滑性能。所以，提高發動機油在高溫環境下的抗氧化性是綠色發動機油研制過程中的關鍵性問題。

至今為止,國內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油的研制，主要的目的是提高綠色發動機油在高溫環境下的抗氧性能。另外，也有一部分科研人員研究將耐高溫固體潤滑材料添加到綠色發動機油中以提高發動機油在高溫環境下的使用壽命[12]。在這一方面做的比較成功的是美國PetrolMoly公司開發的PetrolMoly發動機油。這是一種新型的發動機油，它其中的有效成分是二硫化鉬固體潤滑顆粒。行車試驗的結果表明,添加二硫化鉬的PetrolMoly發動機油比傳統的發動機油氮氧化物的排放量降低73%，并且提高了10%的燃油經濟性，降低油耗37%。這種添加二硫化鉬的發動機油被聯合國作為新技術、新產品向各成員國推薦，鼓勵作為新產品使用。而與鉬同為VIB族元素的鎢，具有與鉬相似的化學性質，同時比鉬擁有更穩定的化學性質和更重的質量，而且，實驗室研究發現，二硫化鎢的抗氧化性和熱穩定性比二硫化鉬更為優越。這一發現促使國內相當多的科研人員開始了將二硫化鎢用于高溫潤滑脂的研究，并且已經取得了可觀的成效[13]。

楊坤玉等在高性能綠色發動機油的研制過程中,為了延長綠色潤滑油的使用壽命和在極端環境條件下使用的可能性，而在綠色潤滑油中添加納米二硫化鎢粉末。從摩擦學性能方面來說，納米二硫化鎢對于基礎油減摩性能的提高非常有效，同時對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的固體潤滑材料,二硫化鎢在提高基礎油抗磨損性能方面，具有更有優良效果[14]。另外，研究中還發現，隨著逐漸增加納米二硫化鎢量添加量，吸附膜將會逐漸變得更為致密完整，潤滑的效果也有變好的趨勢。在摩擦占據主導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出了更高的活性，二硫化鎢在摩擦副表面的吸附層是實現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，基礎油抗磨性能顯著提高，但是并不會無限制提高，當添加量超過9.0%質量分數時，潤滑性能將會隨著納米二硫化鎢的碰撞聚集而產生相反的效果，即乳化液潤滑性能下降。

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，來達到模鍛成形的目的。研究顯示，在高溫環境下，工件的應變速率變形比較緩慢，此時變形材料的結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]。克服了加工硬化的問題，那么具有復雜結構以及高強度的工件的加工變具有了可能性。然而，在進行模鍛成形時，金屬流動會受到摩擦的阻礙，造成鍛壓載荷變大，變形能被消耗，工件組織將會出現不均勻的現象，甚至模膛充型無法充分填充，以至于影響了模具使用周期，因此，在這個過程中，潤滑劑的使用尤為重要。市場上目前用于熱模鍛的潤滑劑一般都是石墨系潤滑劑，類型非常單一。在高溫情況下，石墨的潤滑性能比較好，但缺點是石墨的隔熱保溫性能非常不理想，因為它是熱的良導體。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滑劑用于等溫模鍛的可能性[16]。研究發現，二硫化鎢是一種層片狀固體潤滑材料，這一點與石墨的結構類似，而且相比于石墨，二硫化鎢的抗極壓、耐高溫性能非常優越，同時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體。前面提到，美國水手號太空飛船最早應用二硫化鎢用于其關鍵部位的潤滑，近些年來，一些極端條件下以及一些尖端工件的潤滑也開始逐步使用二硫化鎢薄膜潤滑，并且應用的效果也非常好。石琛經過研究研究合成了一種水基納米二硫化鎢薄膜潤滑劑，非常適合用于等溫模鍛。通過實驗將這種節能環保的水基潤滑劑用于鋁合金的等溫模鍛工藝中，以制備出高強度鋁合金工件，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的二硫化鎢顆粒制成的，這種微米級顆粒又是通過多能場復合濕式法進行粉碎的。這種納米二硫化鎢的結構呈層片狀，粒徑處于40～300 nm范圍內，而且粒徑平均為59 nm[17]。通過進行高強度鋁合金工藝實踐，發現納米薄膜潤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，通過對比發現，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滑劑，用于模鍛過程，具有環保、高效、油煙少的優點，比現在的其它的潤滑劑的效果都要好。

4 結論

當前，科學技術不斷進步發展，工作環境也日益復雜：超高溫、超低溫、高真空、高速或者大劑量輻射環境，這就對潤滑劑材料以及工件制備的質量提出了更嚴格的要求。傳統的潤滑油模鍛工藝無法達到要求，這就加速了潤滑油行業和模鍛工藝的發展。膜技術得以發展。納米二硫化鎢薄膜應用于新型潤滑行業中，可以在延長潤滑油使用壽命的同時，提高了其應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、高效的優點。鑒于二硫化鎢薄膜具有如此優異的性能，其應用前景也是非常廣闊的。然而現在，在其制作的工藝上，不同的研究者技術千差萬別，各有千秋，因此未來大規模的工業化還需要一定的時間。

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(本文文獻格式：施凱烽，謝 鳳.納米二硫化鎢薄膜的應用研究現狀[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,浙江東陽人,在讀碩士研究生,主要從事航空油料應用技術的研究工作。

TQ136.1+3

A

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