钛掺杂调控Ti-Ag/MoS2复合薄膜微观结构与真空摩擦学性能的协同机制研究

本研究发现通过钛银共掺杂策略（Ti-Ag/MoS2）可显著提升二硫化钼（MoS2）基薄膜在真空环境下的摩擦学性能。采用非平衡磁控溅射技术制备的复合薄膜呈现致密非晶化结构，其中钛含量为12.8 at%的样品实现超低摩擦系数（0.01）和磨损率（6.0×10?8 mm3/N·m），并在轴承应用中使平均摩擦扭矩降低29%，扭矩波动幅度减少35%，成功解决了减摩与耐磨性能间的固有矛盾。

　　

Section snippets

Sample preparation

采用硅（100）晶圆和9Cr18不锈钢作为基底材料。9Cr18钢的化学成分包含C（0.9–1.0 wt%）、Cr（17–19 wt%）、Si（≤0.8 wt%）、P（≤0.035 wt%）、S（≤0.03 wt%）、Mn（≤0.8 wt%），余量为Fe，硬度为58 HRC。样品尺寸约为35 mm × 35 mm × 5 mm。在薄膜沉积前，9Cr18钢基底经过机械抛光使表面粗糙度（Ra）小于0.02 μm，随后依次在丙酮和酒精中进行超声波清洗，最后在真空烘箱中干燥备用。

Microstructure of Ti-Ag/MoS₂ film

图2通过X射线衍射（XRD）分析了不同钛含量下薄膜结晶度的演变规律。Ag-MoS₂薄膜在14.3°、32.7°、39.5°和58.3°处呈现四个特征衍射峰，分别对应（002）、（100）、（103）和（110）晶向。值得注意的是，Ti（5.2 at%）-Ag/MoS₂复合薄膜的（002）峰强度降低25%，且（100）和（110）衍射峰消失，表明钛掺杂有效抑制了MoS₂晶体的定向生长。随着钛含量增加至12.8 at%，薄膜完全转变为非晶结构，仅保留微弱的MoS₂（002）衍射信号，证实钛元素促进了MoS₂从晶态向非晶态的转变。

Conclusion

通过非平衡磁控溅射系统制备了钛浓度0–16.4 at%的Ti-Ag/MoS₂复合薄膜，并系统研究了其微观结构演变与力学性能。结果表明：随着钛含量增加，复合薄膜的结晶度逐渐降低，并发生从MoS₂晶态向非晶态的相转变。薄膜的硬度（H）和弹性模量（E）随钛掺杂显著提升，最高硬度达8.2 GPa，较未掺杂样品提高约3倍。真空摩擦测试显示，钛银共掺杂薄膜在高速高负载条件下表现出卓越的摩擦学稳定性，其中钛含量为12.8 at%的样品实现0.01的超低稳态摩擦系数和6.0×10^?8 mm³/N·m的极低磨损率。实际轴承应用验证了该薄膜可使平均摩擦扭矩降低29%，扭矩波动幅度减少35%，为空间精密运动系统提供了可靠的润滑解决方案。