Page 158 - 摩擦学学报2025年第10期

第 10 期 叶青林, 等: MoS 2 -TiNb复合固体润滑薄膜在大气-真空循环条件下的摩擦学性能研究 1555

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看出，纯MoS 薄膜的摩擦寿命较短，仅为4.28×10 r，磨 气循环条件下的摩擦学性能，摩擦曲线如图8(a)所示.
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−6
损率为4.04×10 mm /(N·m)；当TiNb合金掺杂原子分 MoS -10%TiNb薄膜在大气环境中的平均摩擦系数为
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数为5%时，真空摩擦寿命升至2.38×10 r，磨损率降至 0.065，平均摩擦寿命为4.2×10 r，相比于其真空摩擦
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1.93×10 mm /(N·m)，当TiNb合金原子分数为10%时， 学性能略有下降，这是由空气中的氧气和水对于MoS 2
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真空摩擦寿命可达7.20×10 r，相比于纯MoS 薄膜提 不可避免地侵蚀作用造成的. 但该薄膜在大气-真空循
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高了17倍，且磨损率进一步降至6.94×10 mm /(N·m)， 环条件下却表现出优于大气或真空单一条件下的摩
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−8
仅为纯MoS 薄膜磨损率的1/58. 上述结果表明在MoS 擦学性能，在经过4次大气-真空循环条件后，该复合
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薄膜中掺入适量的TiNb合金能够有效提高薄膜的摩 薄膜的摩擦寿命可以超过1.8×10 r. 在连续摩擦试验
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擦寿命，降低磨损率. 但是，当TiNb合金掺杂原子分数 过程中，从局部放大的摩擦曲线可以看出，在充气(Vent)
达到15%时，薄膜不再具有润滑性，且磨损率急剧增 和抽气(Pump)过程中，摩擦系数会随腔室气压的变化
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大，可达1.69×10 mm /(N·m). 由上述结果可知TiNb 而变化，而且低摩擦系数状态对真空度的要求不高.
合金掺杂原子分数为10%时复合薄膜的真空摩擦学性 将该薄膜在大气-真空条件下进行10次循环摩擦试
能最佳. 验，如图8(b)所示，发现其在大气-真空循环条件下的
2.4 MoS -10%TiNb薄膜在大气-真空循环条件下 摩擦系数与单一大气和真空环境下的摩擦系数图8(a)
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的摩擦学性能 基本一致. 上述结果表明在真空-大气循环条件下，MoS -
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以真空摩擦学性能最优异的MoS -10%TiNb薄 10%TiNb薄膜不仅具有低摩擦系数和长寿命的特点，而
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膜为研究对象，研究了该薄膜在真空、大气和真空-大 且在环境交变过程中的摩擦学性能具有自恢复的特点.

(a) 0.15 Lubrication failure (b) 8 7.20×10 5 10 −3
0.10 MoS 2 7 1.69×10 −4
MoS 2 -5%TiNb
0.12 0.05 MoS 2 -10%TiNb 6 10 −4
MoS 2 -15%TiNb
Friction coefficient 0.09 0.00 0.0 0.2 0.4 Wear life/(10 5 cycles) 5 4 3 4.04×10 −6 2.38×10 5 1.93×10 −7 10 −5 Wear rate/[mm 3 /(N·m)]
10
0.06
−6
0.03 2 6.94×10 −8 10 −7
1 4.28×10 4 7.30×10 1
0.00 0 10 −8
MoS 2 -10%TiNb
0 1 2 3 4 MoS 2
Cycles/10 4 MoS 2 -5%TiNb MoS 2 -15%TiNb
Fig. 7 (a) Friction curves and (b) wear life and wear rate of MoS 2 -TiNb composite films
图 7 MoS 2 -TiNb复合薄膜的(a) 摩擦曲线和(b) 摩擦寿命和磨损率

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(a) 0.20 Air 0.10 (b) 0.12 Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air
Vacuum Vacuum Vent Air
0.16 Cycling 0.05 0.10
Friction coefficient 0.12 0.00 Air 3.0 Vent 3.2 Vacuum 3.4 Friction coefficient 0.06
0.08
0.10
0.08
0.05
0.04 0.00 0.04 Vac Vac Vac Vac Vac Vac Vac Vac Vac Vac
4.7 4.8 4.9 0.02
0.00 0.00
0 4 8 12 16 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Cycles/10 5 Cycles/10 3
Fig. 8 Friction curves of MoS 2 -10%TiNb composite film (a) under air, vacuum and air-vacuum cycling conditions,
and (b) 10 times under air-vacuum cycling condition
图 8 MoS 2 -10%TiNb复合薄膜(a) 在大气、真空及其大气-真空循环条件下的摩擦曲线，
(b) 在大气-真空条件下循环10次的摩擦曲线