二硫化钨固体润滑应用进展

张 悦，田雪梅，2，乔红斌，2*

(1．安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山 243002;

2．马鞍山市安工大工业技术研究院高分子与固体润滑研究所，安徽马鞍山 243002)

1 二硫化钨润滑特性

二硫化钨(WS2)热稳定性和抗氧化性优，抗压强度较大，承载能力强，与基体浸润性好，被应用于航空、航天、军事、汽车工业等高科技领域［1－3］。二硫化钨在大气中工作温度范围为－270～650℃。油脂中添加份数相同的三类固体润滑剂摩擦系数关系为:石墨＞二硫化钼＞二硫化钨;而最大无卡咬负荷PB则是二硫化钨＞二硫化钼＞石墨［4］。二硫化钨和二硫化钼的热重曲线如图1所示［5］。二硫化钼在空气中360℃热氧化降解生成MO3和SO2，而二硫化钨在450℃左右才开始热氧化降解，生成的WO3也是高温润滑剂。

图1 MoS2和WS2的TGA曲线

2 二硫化钨薄膜润滑机理

在硬与软金属摩擦副中，硬金属在载荷作用下压入软金属，犁沟导致接触面积增大，从而摩擦力增大。而硬金属间相对滑移时，屈服强度大，摩擦力大，摩擦表面升温导致咬合。在硬金属基材表面涂覆一层剪切强度低的薄膜，既不增大摩擦副接触面积又降低剪切强度，降低摩擦力和摩擦系数，但这层薄膜涂覆在软金属表面则仍会发生犁沟现象。因此，在硬金属基材摩擦表面粘着一层剪切强度较小的薄膜起到润滑作用，减小摩擦系数并降低磨损［6－7］。

3 纳米二硫化钨的分散

WS2粒度越小，吸附性越好，润滑效果越好［8］，然而颗粒团聚影响其润滑性能［9－10］。可以通过物理或者化学方法分散改性。采用物理方法将纳米颗粒在液相介质中的分散，颗粒会在外界作用力撤销之后由于分子间作用力而再次团聚。而化学分散改变了颗粒表面性质，使颗粒与液相介质、颗粒与颗粒间的相互作用发生变化，增强颗粒间排斥力，持久抑制絮凝团聚。将物理分散和化学分散相结合，用物理手段解团聚，化学方法保持分散稳定，达到较好分散效果。另外还可通过分散剂吸附改变粒子的表面电荷分布，产生静电稳定和空间位阻稳定作用增强分散效果。

在未经处理时，润滑油中悬浮颗粒的平均粒度达10μm，纳米二硫化钨颗粒发生了明显的团聚;但随着超声分散与机械搅拌处理时间的增加，悬浮颗粒粒度减小，5．5 h后平均粒度达到了1μm以下。处理之后纳米二硫化钨颗粒的团聚由大变小，且其最小团聚粒度甚至接近于原生颗粒粒度，而根据斯托克斯定律，超细颗粒在液体介质中的沉降速度与颗粒粒度的平方成正比［11－12］，纳米二硫化钨颗粒团聚体粒度显著减小，提高了其在润滑油中的分散稳定性。

随着表面修饰剂和纳米二硫化钨颗粒质量比的增大，颗粒在润滑油中的稳定时间先增大后降低，在质量比达到0．4时，稳定时间最长。随着表面修饰剂用量的增大，纳米二硫化钨颗粒表面逐渐被修饰，阻止了颗粒间的团聚，使得颗粒在润滑油的分散稳定性提高;而当表面修饰剂用量超过一定值时，表面修饰剂过剩造成絮凝，颗粒团聚加剧。表面修饰剂与纳米二硫化钨质量比为0．4～0．5［13］。纳米二硫化钨微胶囊化之后，也可显著提高其在分散介质中的分散稳定性和抗磨损性能［14］。微胶囊化的措施包括采用羧甲基纤维素钠、原位包覆PMMA或者环氧树脂。

4 二硫化钨应用进展

4．1 二硫化钨用作润滑油添加剂

大多数润滑油采取加入有机或无机、液态或固态润滑油添加剂的方法来提高润滑性能。绿色发动机油环境友好，可用来取代易环境污染的矿物基发动机油，但其基础油在高温下易被氧化失效［15－16］。将纳米二硫化钨在超声波作用下经表面改性后用于润滑油中减摩抗磨，即便高温氧化条件下抗磨性能优良。含纳米二硫化钨的绿色发动机油具有更加优良的极压抗磨性能和粘温特性。

添加质量分数0．3% 的的纳米WS2加入到精轧油比未添加的润滑油的油膜强度高、摩擦系数低［17］。添加质量分数0．5% 的WS2微粉到乳化油切削液中，工件表面质量平均提高35%［18］。超细WS2颗粒经过表面化学修饰和吸附修饰表面改性，添加到合成油与矿物油中，摩擦因数随时间的增加而降低，磨斑表面光滑且直径小，表明抗磨减摩和耐压性能优良［19］。

4．2 二硫化钨固体润滑应用

Ni－Fe－W－S复合镀层减摩性能优于Cr镀层，具备硫化亚铁和WS2复合薄膜特性［20］。溅射WS2涂层可以常温加工，涂层厚度0．5μm，均匀、结合强度大、摩擦系数低，适用基材广泛，缺点是涂层耐蚀性差、粗糙度较大，不适用于精密零件［21］。学者采用WS2与MoS2、DLC等材料的复合制备技术提高WS2薄膜的性能。由WS2和MoS2构成的纳米及多层薄膜的摩擦性能比单独的膜层有所改善，多层复合薄膜的硬度提高和超点阵结构对其润滑性能有着一定的影响。钛过渡层对W－S－N和W－S－C膜层性能也有促进作用，碳和氮原子的加入提高了二硫化钨的摩擦性能［22－23］。采用多阴极反应溅射法制备WS2/DLC薄膜，其摩擦磨损性能要优于单独的DLC薄膜。WS2/Ag复合薄膜的摩擦系数稍高于WS2薄膜，但在潮湿空气中摩擦状态更稳定，耐磨性能更加优异［24］。

汽车、机器人、医疗设备、塑料、工具和冲模都应用了WS2技术。福特、通用等汽车公司均采用WS2镀膜处理汽车轴承、传动装置和发动机部件以减少磨擦、降低磨损。此外，WS2与空心微珠经酚醛树脂粘结制备的汽车制动衬具有良好的抗磨效果［25］。

在塑料工业中，WS2镀膜用于各种注塑成型模具、吹塑成型模具和挤压成形模具中，减少工具钢与树脂之间粘连，降低摩擦阻力。空心富勒烯纳米WS2所显示的超低摩擦与磨损备受人们关注，用以填充聚丙烯、尼龙－6、聚苯硫醚、聚醚醚酮等热塑性高分子以提高热、机械和摩擦学性能［26－29］。

5 二硫化钨前景展望

二硫化钨应用于固体润滑已经从粉体填充及其在润滑油润滑脂中的分散拓展到薄膜应用高端领域，二硫化钨固体润滑薄膜润滑机理仍需探索。通过构造膜层的晶体结构和晶界特性来提高二硫化钨固体润滑薄膜的性能将成为未来主要的研究方向。