MoS2 對樹脂基器件耐磨層改性的研究

王云飛， 孟銀娜， 高志廷

(1.河南機電職業學院智能工程學院， 河南 鄭州 451191；2.洛陽鷹揚機電科技有限公司， 河南 洛陽 457000)

0 前 言

酚醛樹脂被廣泛應用于家用電器、打印材料，能代替部分金屬。 但是樹脂的耐熱性和耐磨性差，在多次摩擦磨損的工況條件下會產生熱量，使長分子鏈C-C、C-H 鍵斷裂，分解成CO、H2等，加速器件老化。 例如打印機機頭樹脂材料在頻繁打印的高速摩擦下，壽命極短。 而廢棄的樹脂基器件在大氣中不易分解，造成不容忽視的環保壓力。

對材料結構進行改性能提高酚醛樹脂的耐磨性能。 有機硅能改善酚醛樹脂的熱穩定性、韌性、抗酸、抗堿和抗鹽性能[1]。 隨固化溫度的升高，納米氧化鋁改性的酚醛樹脂增強紙基摩擦材料的耐熱性能提高[2]。

在酚醛樹脂基器件表面鍍膜可使其改性。 Ti 元素可以活化樹脂表面，DLC(Diamond Like Carbon)是一種非晶態薄膜，具有高硬度和高彈性模量。 采用中頻磁控濺射方式制備的Ti-DLC 混合膜層在樹脂表面改性方面有一定的應用前景[3]。 MoS2屬于六方晶系，結構與石墨相似，層內的Mo-S 化合鍵的鍵能很大，不易被破壞，MoS2的層間作用力是分子之間的范德華力，層內作用力是原子之間的范德華力，MoS2具有良好的各向異性與較低的摩擦系數[4，5]。 同時，S 與樹脂中的C 原子有一定的親和性，使MoS2能很好地附著在樹脂材料表面，始終發揮潤滑功能[6，7]。

為進一步提高樹脂基器件表面的摩擦磨損性能，本工作在樹脂基器件表面覆蓋上Ti-DLC-MoS2復合膜層，并采用多種規格靶材、靶間距離、腔體壓力、Ar 流量和功率密度濺射各膜層，通過摩擦磨損性能試驗，探索摩擦性能最好的工藝參數組合。

1 試 驗

1.1 鍍膜工藝

樹脂基材為注塑成型的熱固性酚醛樹脂。 在鍍膜之前，必須清洗樹脂基材的表面。 如不清洗，基材表面的粉塵、油污等雜物會在后續磁控濺射過程的真空環境中分解、脫落，于是在膜層表面產生空穴的缺陷，影響鍍膜的沉積效果，從而降低結合力，對材料的耐磨性和使用壽命產生不利影響。

分別制備無膜層樹脂材料、表面鍍Ti-DLC 混合膜層樹脂基材料和表面鍍Ti-DLC-MoS2復合膜層樹脂基材料。 清洗后的樹脂基材即為無膜層樹脂材料。 表面鍍Ti-DLC-MoS2復合膜層樹脂基材料的制備過程如下:在樹脂基體上覆蓋一層Ti 膜，再在Ti 膜上覆蓋一層DLC 膜(此時即得到表面鍍Ti-DLC 混合膜層樹脂基材料)，再在DLC 膜上覆蓋一層MoS2膜。 制備工藝步驟如下:(1)超聲波清洗樹脂基體5 ～20 min；(2)在MSP-300B 型磁控濺射鍍膜機的腔體內通入氬氣，流量為40～60 cm3/min，腔體內氣壓調整為1.00 ～2.00 Pa，以直流偏壓模式清洗樣片基材，偏壓值為50 ～100 V，在腔體內部偏壓清洗5 ～10 min；3)采用射頻磁控濺射鍍膜方式鍍Ti 膜，采用φ80 mm、厚度4.0 ～6.0 mm 的Ti 靶材，靶間距離為80 mm，腔體壓力2.00 ～4.00 Pa，Ar 流量60～80 cm3/min，Ti 靶材功率密度為0.20～0.50 W/cm2；(4)采用射頻磁控濺射鍍膜方式鍍DLC 膜，采用φ80 mm、厚度4.0～6.0 mm 的石墨靶材，靶間距離為80 mm，腔體壓力0.50 ～0.80 Pa，Ar 流量40 ～60 cm3/min，石墨靶材功率密度為3.00 ～5.00 W/cm2；(5)采用射頻磁控濺射鍍膜方式鍍MoS2膜，采用φ80 mm、厚度4.0～6.0 mm 的MoS2靶材，靶間距離為80 mm，腔體壓力2.00 ～5.00 Pa，Ar 流量10 ～100 cm3/min，MoS2靶材功率密度為5.00～10.00 W/cm2。 采用了6 組工藝制備Ti-DLC-MoS2復合膜層樹脂基材料，具體工藝參數及成膜厚度如表1 所示。

表1 不同工藝參數及成膜厚度Table 1 Various process parameters and thickness of film

1.2 摩擦磨損性能測試

摩擦磨損性能測試設備采用HRT-A02C 型往復式摩擦磨損試驗機。 將無膜層樹脂材料、表面鍍Ti-DLC混合膜層樹脂基材料和表面鍍Ti-DLC-MoS2復合膜層樹脂基材料切割成36 mm×10 mm×3 mm 的試樣，分別與直徑6.35 mm 的Q235 鋼球進行摩擦磨損性能測試。測試參數:往復頻率5 Hz，振幅5 mm，載荷2 N。

2 結果與討論

2.1 6 種復合膜層的耐磨性

不同參數條件下制備Ti-DLC-MoS2復合膜層樹脂基材料與鋼對磨的摩擦系數如圖1 所示。

圖1 不同工藝復合膜層的摩擦系數Fig.1 Friction coefficient of composite coatings prepared by different processes

6 種工藝條件下的平均摩擦系數為0.114。 其中，序號3 條件下制備的復合膜層的摩擦系數最低，為0.077 6，比次優的序號2 條件下制備的復合膜層的摩擦系數0.096 0降低了19%，比各序號的平均值降低了32%。

序號3 條件下制備的MoS2薄膜(002)面擇優生長，序號2、3、5、6 和7 條件下制備的MoS2薄膜(100)面擇優生長。 (002)面是垂直于c 軸的非極性面，分子層間靠范德華力結合，當受到剪切力時易于滑動，所以摩擦系數小。 而(100)面是沿Mo-S 斷裂的極性面，一方面由于層內S-Mo-S 鍵能較大，在摩擦磨損時層間滑移阻力較大，造成摩擦系數增大；另一方面，薄膜表面組織缺陷使磨損部位粗糙度增加，導致摩擦系數增大。此外，在此工藝下，整個膜層之間界面的綜合強韌性使得制得的復合膜層的摩擦系數最低。

2.2 不同膜層的耐磨性

觀察圖1 中的6 組摩擦系數可知，最接近6 組摩擦系數平均值的是序號2。 選擇表1 中序號2 對應的工藝制備的3 種材料進行不同膜層耐磨性的對比試驗。無膜層樹脂材料、表面鍍Ti-DLC 混合膜層樹脂基材料和表面鍍Ti-DLC-MoS2復合膜層樹脂基材料與鋼對磨的摩擦系數如圖2 所示。

圖2 不同膜層的摩擦系數Fig.2 Friction coefficient of different coatings

3 種不同膜層中，Ti-DLC-MoS2復合膜層樹脂基材料與鋼對磨的摩擦系數最小，比表面鍍Ti-DLC 混合膜層降低了30%，比無膜層的樹脂材料降低了54%。

Ti-DLC-MoS2復合膜層樹脂基材料中，Ti 膜層介于樹脂基體與DLC 膜層之間，由于Ti 元素具有較高的活性，Ti 原子可與樹脂和DLC 膜中的C 原子形成中間化合物TiC，中間化合物提高了膜層的結合力[6]。 中間膜層為DLC 膜層，DLC 膜層具有硬度高、摩擦系數小、耐腐蝕性和熱穩定性優良的特點。 表層為MoS2膜層，MoS2屬于過渡金屬層狀二元化合物(MX2)，具有良好的潤滑性能，其潤滑性降低了復合膜層的摩擦系數。

3 結 論

(1)與表面鍍Ti-DLC 混合膜層相比，Ti-DLCMoS2復合膜層的耐磨性提高了30%；與無膜層的樹脂材料相比，Ti-DLC-MoS2復合膜層的耐磨性提高了54%。

(2)Ti-DLC-MoS2復合膜層的摩擦系數最低為0.077 6。 其制備工藝如下:鍍Ti 膜腔體壓力3.00 Pa，Ar 流量70.00 cm3/min，Ti 靶材功率密度0.30 W/cm2；鍍DLC 膜腔體壓力0.65 Pa，Ar 流量50 cm3/min，石墨靶材功率密度4.00 W/cm2；鍍MoS2腔體壓力3.00 Pa，Ar 流量46 cm3/min，MoS2功率密度7 W/cm2。

(3)Ti-DLC-MoS2復合膜層能增強膜層的結合力、增大耐磨性、增強潤滑性，可大大提高樹脂基器件的使用壽命。