超声辅助电沉积耦合原位SiC颗粒抛光制备高性能Ni/MoS2涂层的协同调控机制研究

为解决Ni/MoS2纳米复合涂层表面形貌劣化及机械/摩擦性能不足的问题，香港理工大学团队创新性地提出超声辅助电沉积耦合原位SiC颗粒抛光技术。该研究通过超声空化与硬质颗粒动力学的多场耦合作用，实现晶粒细化（结晶尺寸降低1.8倍）、颗粒均匀分散（MoS2分布均匀性提升70%）及动态表面平滑（粗糙度降低41-70%），最终获得摩擦系数低至0.1、磨损率下降75%的高性能涂层，为微纳精密器件制造提供新策略。

　　

在微流控芯片、生物传感器等微纳器件制造中，镍模具的快速磨损和表面粗糙度问题长期制约着产品精度和模具寿命。传统电沉积法制备的Ni/MoS₂涂层虽具有自润滑特性，但MoS₂纳米片的团聚倾向（SEM显示团聚尺寸达26.9μm）导致表面粗糙度激增（Sa值1.643μm），摩擦系数波动大（0.37-0.44），严重影响微注塑成型时的脱模质量。香港理工大学团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表的研究中，通过将超声空化(18W/cm²)与153.7μm SiC颗粒原位抛光相结合，开创性地解决了这一行业难题。

研究采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电镜（SEM）观测表面形貌，能量色散谱（EDS）验证元素分布，维氏硬度仪测试力学性能，并运用球-盘摩擦仪评估摩擦系数（COF）。关键创新在于构建了“超声微射流（F₁）+剪切力（F₂）”双动力系统：超声空化产生的微射流推动SiC颗粒对沉积表面进行机械抛光，同时空化效应使MoS₂纳米片剥离为1-8层结构（AFM证实），实现纳米级分散。

在“材料表征”部分，Raman光谱显示经18W/cm²处理的涂层中MoS₂特征峰（E₁₂g 374cm^-1和A₁g 403cm^-1）半峰宽缩小，表明层间应力降低。XRD-sin²ψ法测得残余压应力达-220MPa，促使Ni晶粒尺寸从25nm细化至8nm，这与Scherrer公式计算结果一致。

“表面形貌”研究通过3D光学轮廓仪揭示：协同处理使Ni/MoS₂涂层的表面粗糙度（Sa）从1.643μm降至0.498μm，降幅达70%。SEM-EDS元素图谱显示Mo、S信号分布均匀性提升3.4倍，证实超声-研磨协同作用可突破纳米粒子“团聚-沉降”困局。

“摩擦学性能”章节的突破性发现是：在18W/cm²超声与SiC共同作用下，涂层摩擦系数降至0.1，较传统方法降低73%。磨损轨迹分析表明，MoS₂形成的连续润滑膜（厚度2.46μm）使磨损机制从粘着磨损转变为轻微磨粒磨损，磨损率降至0.35×10^-8 mm³(N·mm)^-1。

该研究建立了“空化-抛光-再沉积”动态调控理论，为精密模具涂层设计提供新范式。特别值得注意的是，团队发现当超声功率超过13W/cm²时，MoS₂的层间滑移特性可抵消高应力导致的微裂纹（裂纹偏转45°），这一现象为高强度自润滑材料开发指明方向。未来研究需进一步优化SiC粒径梯度分布，以平衡表面光洁度与沉积效率的矛盾。