二硫化鎢固體潤滑應用進展

張 悅，田雪梅，2，喬紅斌，2*

(1．安徽工業大學化學與化工學院，安徽馬鞍山 243002;

2．馬鞍山市安工大工業技術研究院高分子與固體潤滑研究所，安徽馬鞍山 243002)

1 二硫化鎢潤滑特性

二硫化鎢(WS2)熱穩定性和抗氧化性優，抗壓強度較大，承載能力強，與基體浸潤性好，被應用于航空、航天、軍事、汽車工業等高科技領域［1－3］。二硫化鎢在大氣中工作溫度范圍為－270～650℃。油脂中添加份數相同的三類固體潤滑劑摩擦系數關系為:石墨＞二硫化鉬＞二硫化鎢;而最大無卡咬負荷PB則是二硫化鎢＞二硫化鉬＞石墨［4］。二硫化鎢和二硫化鉬的熱重曲線如圖1所示［5］。二硫化鉬在空氣中360℃熱氧化降解生成MO3和SO2，而二硫化鎢在450℃左右才開始熱氧化降解，生成的WO3也是高溫潤滑劑。

圖1 MoS2和WS2的TGA曲線

2 二硫化鎢薄膜潤滑機理

在硬與軟金屬摩擦副中，硬金屬在載荷作用下壓入軟金屬，犁溝導致接觸面積增大，從而摩擦力增大。而硬金屬間相對滑移時，屈服強度大，摩擦力大，摩擦表面升溫導致咬合。在硬金屬基材表面涂覆一層剪切強度低的薄膜，既不增大摩擦副接觸面積又降低剪切強度，降低摩擦力和摩擦系數，但這層薄膜涂覆在軟金屬表面則仍會發生犁溝現象。因此，在硬金屬基材摩擦表面粘著一層剪切強度較小的薄膜起到潤滑作用，減小摩擦系數并降低磨損［6－7］。

3 納米二硫化鎢的分散

WS2粒度越小，吸附性越好，潤滑效果越好［8］，然而顆粒團聚影響其潤滑性能［9－10］。可以通過物理或者化學方法分散改性。采用物理方法將納米顆粒在液相介質中的分散，顆粒會在外界作用力撤銷之后由于分子間作用力而再次團聚。而化學分散改變了顆粒表面性質，使顆粒與液相介質、顆粒與顆粒間的相互作用發生變化，增強顆粒間排斥力，持久抑制絮凝團聚。將物理分散和化學分散相結合，用物理手段解團聚，化學方法保持分散穩定，達到較好分散效果。另外還可通過分散劑吸附改變粒子的表面電荷分布，產生靜電穩定和空間位阻穩定作用增強分散效果。

在未經處理時，潤滑油中懸浮顆粒的平均粒度達10μm，納米二硫化鎢顆粒發生了明顯的團聚;但隨著超聲分散與機械攪拌處理時間的增加，懸浮顆粒粒度減小，5．5 h后平均粒度達到了1μm以下。處理之后納米二硫化鎢顆粒的團聚由大變小，且其最小團聚粒度甚至接近于原生顆粒粒度，而根據斯托克斯定律，超細顆粒在液體介質中的沉降速度與顆粒粒度的平方成正比［11－12］，納米二硫化鎢顆粒團聚體粒度顯著減小，提高了其在潤滑油中的分散穩定性。

隨著表面修飾劑和納米二硫化鎢顆粒質量比的增大，顆粒在潤滑油中的穩定時間先增大后降低，在質量比達到0．4時，穩定時間最長。隨著表面修飾劑用量的增大，納米二硫化鎢顆粒表面逐漸被修飾，阻止了顆粒間的團聚，使得顆粒在潤滑油的分散穩定性提高;而當表面修飾劑用量超過一定值時，表面修飾劑過剩造成絮凝，顆粒團聚加劇。表面修飾劑與納米二硫化鎢質量比為0．4～0．5［13］。納米二硫化鎢微膠囊化之后，也可顯著提高其在分散介質中的分散穩定性和抗磨損性能［14］。微膠囊化的措施包括采用羧甲基纖維素鈉、原位包覆PMMA或者環氧樹脂。

4 二硫化鎢應用進展

4．1 二硫化鎢用作潤滑油添加劑

大多數潤滑油采取加入有機或無機、液態或固態潤滑油添加劑的方法來提高潤滑性能。綠色發動機油環境友好，可用來取代易環境污染的礦物基發動機油，但其基礎油在高溫下易被氧化失效［15－16］。將納米二硫化鎢在超聲波作用下經表面改性后用于潤滑油中減摩抗磨，即便高溫氧化條件下抗磨性能優良。含納米二硫化鎢的綠色發動機油具有更加優良的極壓抗磨性能和粘溫特性。

添加質量分數0．3% 的的納米WS2加入到精軋油比未添加的潤滑油的油膜強度高、摩擦系數低［17］。添加質量分數0．5% 的WS2微粉到乳化油切削液中，工件表面質量平均提高35%［18］。超細WS2顆粒經過表面化學修飾和吸附修飾表面改性，添加到合成油與礦物油中，摩擦因數隨時間的增加而降低，磨斑表面光滑且直徑小，表明抗磨減摩和耐壓性能優良［19］。

4．2 二硫化鎢固體潤滑應用

Ni－Fe－W－S復合鍍層減摩性能優于Cr鍍層，具備硫化亞鐵和WS2復合薄膜特性［20］。濺射WS2涂層可以常溫加工，涂層厚度0．5μm，均勻、結合強度大、摩擦系數低，適用基材廣泛，缺點是涂層耐蝕性差、粗糙度較大，不適用于精密零件［21］。學者采用WS2與MoS2、DLC等材料的復合制備技術提高WS2薄膜的性能。由WS2和MoS2構成的納米及多層薄膜的摩擦性能比單獨的膜層有所改善，多層復合薄膜的硬度提高和超點陣結構對其潤滑性能有著一定的影響。鈦過渡層對W－S－N和W－S－C膜層性能也有促進作用，碳和氮原子的加入提高了二硫化鎢的摩擦性能［22－23］。采用多陰極反應濺射法制備WS2/DLC薄膜，其摩擦磨損性能要優于單獨的DLC薄膜。WS2/Ag復合薄膜的摩擦系數稍高于WS2薄膜，但在潮濕空氣中摩擦狀態更穩定，耐磨性能更加優異［24］。

汽車、機器人、醫療設備、塑料、工具和沖模都應用了WS2技術。福特、通用等汽車公司均采用WS2鍍膜處理汽車軸承、傳動裝置和發動機部件以減少磨擦、降低磨損。此外，WS2與空心微珠經酚醛樹脂粘結制備的汽車制動襯具有良好的抗磨效果［25］。

在塑料工業中，WS2鍍膜用于各種注塑成型模具、吹塑成型模具和擠壓成形模具中，減少工具鋼與樹脂之間粘連，降低摩擦阻力。空心富勒烯納米WS2所顯示的超低摩擦與磨損備受人們關注，用以填充聚丙烯、尼龍－6、聚苯硫醚、聚醚醚酮等熱塑性高分子以提高熱、機械和摩擦學性能［26－29］。

5 二硫化鎢前景展望

二硫化鎢應用于固體潤滑已經從粉體填充及其在潤滑油潤滑脂中的分散拓展到薄膜應用高端領域，二硫化鎢固體潤滑薄膜潤滑機理仍需探索。通過構造膜層的晶體結構和晶界特性來提高二硫化鎢固體潤滑薄膜的性能將成為未來主要的研究方向。