Page 44 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 胡汉军, 等: 原子氧对非平衡磁控溅射MoS 2 -Ti复合薄膜真空摩擦学性能的影响 633

0.05 的三维形貌，并测量各位置的磨痕截面积. 根据截面
Before AO
After AO 积的平均值，通过积分换算出磨损体积和获得磨损率).
0.04 图10所示为辐照前(a)和辐照后(b)对偶钢球的磨
Friction coefficient 0.03 2.2×10 r 斑形貌. 图10(a)具有相对较小的磨斑直径，磨斑形状
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接近圆形，表明薄膜的磨损轻微，在磨痕边缘无大量
0.02

0.01 堆积磨屑；在原子氧辐照后，图10(b)所示的磨斑直径
变大，呈现不规则的椭圆状，且具有“沟状”犁削形貌，

表明在磨痕边缘有大量堆积磨屑，刚球与磨痕的接触
0.0
1.0 2.0 3.0 4.0 区域由初始的顶点接触逐渐转变为两侧接触. 采用
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Revolution/(10 r)
CSM纳米划痕仪测得辐照后薄膜纳米硬度增加了0.9 GPa

Fig. 8 Friction coefficient with revolution before and
(原子氧辐照前薄膜平均硬度4.2 GPa，辐照后平均硬
after AO irradiation
图 8 原子氧辐照前后摩擦系数随转数的变化曲线 度5.1 GPa)，表明在原子氧试验后磨损机制转变成以
磨粒磨损为主，所以导致了“沟状”形貌的出现.
黑色曲线是辐照前，红色曲线是辐照后). 原子氧辐照 引起上述复合薄膜摩擦学性能变差的原因可能
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前复合薄膜的真空初始摩擦系数约在0.02，在2.2×10 r 归因于原子氧辐照所导致的MoO 和TiO 硬质颗粒的
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2
以后摩擦系数开始下降至0.01～0.015. 在原子氧辐照 大量出现. 摩擦初始阶段，对于薄膜表层的XPS结果
后，复合薄膜的初始摩擦系数最大达到0.03，稳定段摩 表明：原子氧造成表面的所有Ti和大部分的Mo分别以
擦系数在0.015以上，表现出摩擦学性能变差的现象. TiO 和MoO 形式存在，在摩擦过程中TiO 和MoO 会
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2
3
2
图9所示为辐照前(a~b)和辐照后(c~d)薄膜的磨痕 以磨粒的形式参与摩擦，从而导致犁沟的出现. 此外，
显微形貌. 图9(a~b)具有平整的摩擦形貌，表明摩擦机 TiO 的生成会提升薄膜的表面硬度和增加薄膜的脆
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制是黏着磨损为主；图9(c~d)表现出坑状的的摩擦形 性，导致相同试验条件下更宽的磨痕和磨斑，两者共
貌，磨损率由辐照前的4.49×10 m /(N·m)增大到了 同造成了初始阶段大的摩擦系数和磨损率. 随着表层
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−17
−17
5.5×10 m /(N·m) (用激光轮廓仪提取磨痕区6个截面 的逐渐磨损，内部的薄膜组分开始参与摩擦. 在薄膜
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(a) (b)

50 μm 10 μm

(c) (e)

50 μm 10 μm

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Fig. 9 Micro morphology of the wear track after sliding 4.2×10 r: (a, b) before AO irradiation; (c, d) after AO irradiation
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图 9 4.2×10 r后磨痕的显微形貌：(a, b)原子氧辐照前; (c, d)原子氧辐照后