纳米二硫化钨薄膜的应用研究现状

施凯烽，谢 凤

(空军勤务学院，江苏 徐州 221000)

纳米二硫化钨薄膜的应用研究现状

施凯烽，谢 凤

(空军勤务学院，江苏 徐州 221000)

纳米二硫化钨薄膜有着非常优异的性能：物化性能稳定、导电性特殊、有特殊的润滑性能。应用于新型润滑领域，可以抵抗苛刻环境的影响；应用于高温模锻行业，制造出的工件材质均匀、强度好。因此，纳米二硫化钨薄膜有着非常好的应用前景，但是大规模工业化还需要一定的过程。

纳米；二硫化钨薄膜；应用

近些年来，科学技术飞速发展，在这个过程中，设备运行的工况条件也越来越复杂、越来越多样化，许多工况都是比较苛刻的高温、高压和强辐射环境。这样的工况条件就要求设备具有良好的性能和较长的使用寿命，也对设备的润滑和制作设备的工件均匀度和强度提出了更高的要求。目前传统的润滑油无法满足各种工况条件，而传统的高温模锻也很难做出均质、强度高的工件[1-3]。做为新型润滑材料的二硫化钨有着非常优秀的性能，尤其是在一些特殊的应用情况下，比如温度高、压强大、真空度高、负荷大的情况下，或者有辐射和腐蚀的环境情况下，它的优良性能表现尤为突出，而且二硫化钨所具有的优良性能，还决定了将其应用于高温模锻行业也会取得良好的效果[4]。通过将二硫化钨用于纳米二硫化钨薄膜，就能制造出一种具有特殊层状结构的膜，这种膜具有很强的抗氧化能力，同时能在更为广泛的温度范围内适用[5]。另外，在摩擦学方面，由于其具有较小的摩擦系数，近年来越来越受到国内外学者的广泛关注。

1 纳米二硫化钨薄膜的基本特性

二硫化钨是一种具有金属光泽的，深灰色的结晶性粉末，它是一种层状的六方晶体晶系结构，密度介于7.4 g/m3和7.5 g/m3之间。从微观上讲，二硫化钨晶体具有三个平面单元层，分别为S-W-S，单元层内的钨原子被硫原子包围，而硫原子呈三棱形分布，两两相连的原子之间具有很强的键，能带间隙可以达到1.8 eV之高，不同层之间靠分子力连接，键力很弱，导致两层之间很容易断开，这也是为什么二硫化钨的固体润滑性能优秀的原因。下面分别对其具有的特性进行说明[6-8]。

1.1 具有稳定的物化特性

在空气中，二硫化钨非常稳定，在水、油脂、醇类等有机溶剂中，由于其具有化学惰性，不能发生化学反应，也非常稳定，另外在有辐射和腐蚀性酸、碱存在的情况下，也表现出其良好的性能。二硫化钨还具有一些可观的性能，比如能够很好的吸附在金属表面，并且不与金属发生反应；能够在熔融的碳酸盐中溶解；在有氧化剂的情况下，也能大量的溶解于碳酸盐中，具有很强的稳定性，可以广泛应用。

1.2 具有特殊的导电性

二硫化钨薄膜的导电性具有非常特殊的特点，经过圧缩成形的二硫化钨的粉末，随着压力的增加，其固有电阻将会降低。如果是在真空条件下进行加热，将会呈现出负温度特性，这种性质与半导体类似，出现固有电阻变小的现象。然而，如果是在非真空的空气状态下，固有电阻在300℃以下并没有明显变化，只有在300℃以上时会出现急剧增加的现象。

1.3 润滑特性

二硫化钨的摩擦系数与环境有很大的关系，在空气中摩擦系数增加，在真空中会变小，即使摩擦中止，摩擦系数也会因为表面上吸附的生成而增大。二硫化钨制成的薄膜具有更强的环境依存特性，摩擦系数会在湿空气下显著增大。常温情况下，载荷和速度高时，摩擦学性能高。在空气条件下，温度稍高于常温时，具有很好的耐磨损性。与活泼金属接触加热，在高温情况下，仍具有很强的稳定性。

2 纳米二硫化钨薄膜的研究进展

从1962年起至1971年，对二硫化钨的应用仅限于美国水手号太空船，用于润滑太空船的关键部位。随着纳米二硫化钨薄膜技术的不断发展，美国已经将二硫化钨固体润滑薄膜技术应用于除航天飞机之外的军用领域，如军用战斗机和其它军用机械的润滑。另外，在计算机领域的硬盘驱动部分、高真空环境下的转动系统、特殊条件下的滑动部件等领域也开始受到广泛应用[9-11]。实际的运行经验表明，纳米二硫化钨薄膜的应用能够极大的提高转动工件的使用寿命，一般能够达到原始寿命的3.5～4倍。由于二硫化钨薄膜拥有层状结构，同时形成薄膜的粒子又具有低硬度、耐高温的特性，这就决定了纳米二硫化钨薄膜具有在特殊环境状况下做为润滑剂使用的功能。从二十世纪九十年代后期开始，纳米二硫化钨薄膜技术开始被广泛应用于航空、精密仪器和特殊环境条件下的润滑。

3 纳米二硫化钨薄膜的应用

3.1 纳米二硫化钨薄膜应用于新型润滑领域

做为一种润滑减磨材料，纳米二硫化钨做为固体润滑材料中的一种，因其近乎完美的润滑性能和良好的润滑效果，而受到了科学界普遍的认可。在空气环境下,二硫化钨可以在-270～650℃温度范围内工作，但是在真空环境下,它可以在-188～1316℃范围内工作。也正是基于二硫化钨的这一性能，长期以来它被美国宇航局用于航空、航天、军事等环境条件比较复杂和恶劣领域的润滑材料。然而，随着现代社会材料科学的发展，二硫化钨这种以往只能用于高、精、尖领域的润滑作用的物质开始逐渐广泛用于民用的汽车工业。被称为汽车工业血液的发动机油长期以来伴随着汽车工业的进步而不断发展,据统计，发达国家消耗的发动机油的量是总润滑油量的一半左右。随着近些年来对环保和节能的要求日益严格,而传统的矿物基发动机油非常容易污染环境，因此，全球大的石油公司都开始了对绿色发动机有的研制开发。而目前的绿色发动机油存在高温环境下，基础油极易被氧化，一旦被氧化，绿色发动机油便失去其本来的润滑性能。所以，提高发动机油在高温环境下的抗氧化性是绿色发动机油研制过程中的关键性问题。

至今为止,国内外的科研工作者已做了大量的工作，致力于高温抗氧剂的研究和改性基础油的研制，主要的目的是提高绿色发动机油在高温环境下的抗氧性能。另外，也有一部分科研人员研究将耐高温固体润滑材料添加到绿色发动机油中以提高发动机油在高温环境下的使用寿命[12]。在这一方面做的比较成功的是美国PetrolMoly公司开发的PetrolMoly发动机油。这是一种新型的发动机油，它其中的有效成分是二硫化钼固体润滑颗粒。行车试验的结果表明,添加二硫化钼的PetrolMoly发动机油比传统的发动机油氮氧化物的排放量降低73%，并且提高了10%的燃油经济性，降低油耗37%。这种添加二硫化钼的发动机油被联合国作为新技术、新产品向各成员国推荐，鼓励作为新产品使用。而与钼同为VIB族元素的钨，具有与钼相似的化学性质，同时比钼拥有更稳定的化学性质和更重的质量，而且，实验室研究发现，二硫化钨的抗氧化性和热稳定性比二硫化钼更为优越。这一发现促使国内相当多的科研人员开始了将二硫化钨用于高温润滑脂的研究，并且已经取得了可观的成效[13]。

杨坤玉等在高性能绿色发动机油的研制过程中,为了延长绿色润滑油的使用寿命和在极端环境条件下使用的可能性，而在绿色润滑油中添加纳米二硫化钨粉末。从摩擦学性能方面来说，纳米二硫化钨对于基础油减摩性能的提高非常有效，同时对极压抗磨性能的提高也很有效，并且在高温、腐蚀情况下，基础油的抗磨损性能仍然保持的很好。而且，作为与二硫化钼同类的固体润滑材料,二硫化钨在提高基础油抗磨损性能方面，具有更有优良效果[14]。另外，研究中还发现，随着逐渐增加纳米二硫化钨量添加量，吸附膜将会逐渐变得更为致密完整，润滑的效果也有变好的趋势。在摩擦占据主导地位的高载荷下边界，伴随摩擦生热的加快，纳米二硫化钨薄膜也呈现出了更高的活性，二硫化钨在摩擦副表面的吸附层是实现减摩抗磨的主要原因。尽管，随着纳米二硫化钨添加量的不断，基础油抗磨性能显著提高，但是并不会无限制提高，当添加量超过9.0%质量分数时，润滑性能将会随着纳米二硫化钨的碰撞聚集而产生相反的效果，即乳化液润滑性能下降。

3.2 水基纳米二硫化钨薄膜在等温模锻中的应用

等温模锻指的是在保持模具和工件处于等温的情况下，依靠控制缓慢的成形速度，来达到模锻成形的目的。研究显示，在高温环境下，工件的应变速率变形比较缓慢，此时变形材料的结晶可以更为充分和彻底，这样就能够有效避免加工硬化的造成的不良影响[15]。克服了加工硬化的问题，那么具有复杂结构以及高强度的工件的加工变具有了可能性。然而，在进行模锻成形时，金属流动会受到摩擦的阻碍，造成锻压载荷变大，变形能被消耗，工件组织将会出现不均匀的现象，甚至模膛充型无法充分填充，以至于影响了模具使用周期，因此，在这个过程中，润滑剂的使用尤为重要。市场上目前用于热模锻的润滑剂一般都是石墨系润滑剂，类型非常单一。在高温情况下，石墨的润滑性能比较好，但缺点是石墨的隔热保温性能非常不理想，因为它是热的良导体。另一方面，由于石墨不能很好的附着在金属表面，这就极大的影响了这种润滑剂用于等温模锻的可能性[16]。研究发现，二硫化钨是一种层片状固体润滑材料，这一点与石墨的结构类似，而且相比于石墨，二硫化钨的抗极压、耐高温性能非常优越，同时还能够很好吸附于金属表面，最重要的是二硫化钨还是热的不良导体。前面提到，美国水手号太空飞船最早应用二硫化钨用于其关键部位的润滑，近些年来，一些极端条件下以及一些尖端工件的润滑也开始逐步使用二硫化钨薄膜润滑，并且应用的效果也非常好。石琛经过研究研究合成了一种水基纳米二硫化钨薄膜润滑剂，非常适合用于等温模锻。通过实验将这种节能环保的水基润滑剂用于铝合金的等温模锻工艺中，以制备出高强度铝合金工件，获得了非常好的效果。石琛所研制出的纳米二硫化钨颗粒是由微米级的二硫化钨颗粒制成的，这种微米级颗粒又是通过多能场复合湿式法进行粉碎的。这种纳米二硫化钨的结构呈层片状，粒径处于40～300 nm范围内，而且粒径平均为59 nm[17]。通过进行高强度铝合金工艺实践，发现纳米薄膜润滑剂可以吸附在磨具表面形成致密的吸附膜，颗粒分布较为均匀，通过对比发现，如果是石墨，那么形成吸附膜非常疏松。所以，将纳米二硫化钨薄膜制成水基润滑剂，用于模锻过程，具有环保、高效、油烟少的优点，比现在的其它的润滑剂的效果都要好。

4 结论

当前，科学技术不断进步发展，工作环境也日益复杂：超高温、超低温、高真空、高速或者大剂量辐射环境，这就对润滑剂材料以及工件制备的质量提出了更严格的要求。传统的润滑油模锻工艺无法达到要求，这就加速了润滑油行业和模锻工艺的发展。膜技术得以发展。纳米二硫化钨薄膜应用于新型润滑行业中，可以在延长润滑油使用寿命的同时，提高了其应用于极端条件下的可能性；在高温模锻中，这种材料具有成型好、制作工件均匀，以及绿色、高效的优点。鉴于二硫化钨薄膜具有如此优异的性能，其应用前景也是非常广阔的。然而现在，在其制作的工艺上，不同的研究者技术千差万别，各有千秋，因此未来大规模的工业化还需要一定的时间。

[1] Murugan P,Kumar V,Kawazoe Y,et al.Atomic structures and magnetismin small MoS2and WS2clusters [J].Physical Review Atomic Molecular and Optical Physics,2005,71(6):1-6.

[2] 颜志光.润滑材料与润滑技术[M].上海:同济大学出版社,1990.

[3] Jaroslav S,Gunnar S.Ion bombardment of solid lubricating nanoparticle coatings [J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,1997,127/128:945-948.

[4] 姚建文.常用设备润滑技术[M].北京:科学技术文献出版社,1991.

[5] Gregory S W,Thierry B.Lubrication of Mo,W,and their alloys with H2S gas admixtures to room temperature air[J].Wear,1999,225/226:581-586.

[6] 陈 津,魏丽乔,许并社.纳米非金属功能材料[M].北京:化学工业出版社,2007.

[7] Baranov N G,Ageeva V S,II’nitskaya A I,et al.Structure and tribological characteristics of copper-tungsten disulfide powder composite material[J].Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics,1991,29 (10):832-835.

[8] 邢鹏飞,翟玉春,田彦文,等.WS2在空气中氧化动力学的研究[J].金属学报,1996,32(2):187-190.

[9] 张志琨,崔作林.纳米技术与纳米材料[M].北京:国防工业出版社,2000.

[10] 石 琛,毛大恒,俸 颢.二硫化钨发动机油的摩擦学性能研究[J].润滑与密封,2007,32(3):83-87.

[11] 石森森.固体润滑材料[M].北京:化学工业出版社,2000.

[12] 王海斗,庄大明,王昆林,等.高速钢离子渗硫层的摩擦磨损性能研究[J].摩擦学学报,2002,22(7):250-253.

[13] 邹 娣,刘 晓.高酸值乙醇润滑下几种活塞环材料的摩擦学性能[J].重庆工商大学学报：自然科学版,2006,23(1): 89-92.

[14] 杨坤玉,毛大恒.纳米二硫化钨的基本应用于制备方法比较[J].中国钨业,2008,23(4):42-45.

[15] 徐泽儒.金属硫化物减摩材料的研究[J].河南冶金,1997(2):26-29.

[16] 程继贵,熊二涛,蒋 阳,等.WS2超细粉体的固相法合成[J].应用化学,2006,23(7): 786-789.[17] 石 琛,毛大恒,俸 颢.水基纳米二硫化钨等温模锻润滑剂的制备与应用[J].中南大学学报,2015,46(4):1253-1259.

(本文文献格式：施凯烽，谢 凤.纳米二硫化钨薄膜的应用研究现状[J].山东化工,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

施凯烽(1993—)，男,浙江东阳人,在读硕士研究生,主要从事航空油料应用技术的研究工作。

TQ136.1+3

A

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