掺杂元素Ti对WS2薄膜结构和摩擦学性能的影响

目的 提高单一成分WS2薄膜的力学和摩擦学性能.方法 采用多靶磁控溅射方法制备不同Ti含量的WS2-Ti复合薄膜.利用X射线能谱仪(EDS)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪,对薄膜的成分、化学态、晶体结构、形貌以及力学性能进行表征,并利用球-盘摩擦试验机检测该系列薄膜在大气和真空环境下的摩擦学性能.结果 掺杂元素Ti显著改善WS2薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能.随着Ti含量的增加,WS2薄膜的结晶度下降,致密度增加,其硬度和杨氏模量分别从0.25 GPa和16.60 GPa增加到3.52 GPa和59.00 GPa.Ti原子数分数为7.17％时,复合薄膜的磨损率在真空和大气环境下分别低至0.10×10-15 m3/(N·m)和2.66×10-15 m3/(N·m).结论 在真空摩擦试验中,WS2基薄膜的磨损机制为黏着磨损,适量的Ti可有效抑制薄膜发生黏着磨损,使得薄膜的磨损率大幅降低.在大气摩擦试验中,Ti有效抑制了硬质颗粒WO3刺穿WS2分子保护膜,使得复合薄膜的磨损寿命延长,磨损率降低.