您的当前位置:首页纳米二硫化钨薄膜的应用研究现状

纳米二硫化钨薄膜的应用研究现状

2020-04-21 来源:乌哈旅游
第5期 施凯烽,等:纳米二硫化钨薄膜的应用研究现状 ・59・ 纳米二硫化钨薄膜的应用研究现状 施凯烽,谢凤 (空军勤务学院,江苏徐州 221000) 摘要:纳米二硫化钨薄膜有着非常优异的性能:物化性能稳定、导电性特殊、有特殊的润滑性能。应用于新型润滑领域,可以抵抗苛刻环 境的影响;应用于高温模锻行业,制造出的工件材质均匀、强度好。因此,纳米二硫化钨薄膜有着非常好的应用前景,但是大规模工业化 还需要一定的过程。 关键词:纳米;二硫化钨薄膜;应用 中闰分类号:TQ136.1 3 文献标识码:A 文章编号:1008—021X(2017)05—0059—02 Research Status About the Application of Nano——tungsten Disulifde Thin Films Shi Kaifeng,Xie凡 (Air Force Service College,Xuzhou 221000,China) Abstract:The nano—tungsten disulfide film which has a very excellent performance:stability physical and chemical properties, special conductivity,and special lubricating properties.That WaS used in the field of new lubrication,Can resist the impact of harsh environment;and used in high—temperature die forsing industry,Can create a uniform workpiece material,which have good strength.Therefore,the llano—tungsten disulfide film has a very good application prospects,but large—scale industriliazation also need a certain process. Key words:nano;two tungsten sulfide thin film;application 近些年来,科学技术飞速发展,在这个过程中,设备运行的 工况条件也越来越复杂、越来越多样化,许多工况都是比较苛 刻的高温、高压和强辐射环境。这样的工况条件就要求设备具 有良好的性能和较长的使用寿命,也对设备的润滑和制作设备 的工件均匀度和强度提出了更高的要求。目前传统的润滑油 无法满足各种工况条件,而传统的高温模锻也很难做出均质、 强度高的工件”。J。做为新型润滑材料的二硫化钨有着非常 优秀的性能,尤其是在一些特殊的应用情况下,比如温度高、压 剂中,由于其具有化学惰性,不能发生化学反应,也非常稳定, 另外在有辐射和腐蚀性酸、碱存在的情况下,也表现出其良好 的性能。二硫化钨还具有一些可观的性能,比如能够很好的吸 附在金属表面,并且不与金属发生反应;能够在熔融的碳酸盐 中溶解;在有氧化剂的情况下,也能大量的溶解于碳酸盐中,具 有很强的稳定性,可以广泛应用。 1.2具有特殊的导电性 二硫化钨薄膜的导电性具有非常特殊的特点,经过压缩成 强大、真空度高、负荷大的情况下,或者有辐射和腐蚀的环境情 况下,它的优良性能表现尤为突出,而且二硫化钨所具有的优 良性能,还决定了将其应用于高温模锻行业也会取得良好的效 形的二硫化钨的粉末,随着压力的增加,其固有电阻将会降低。 如果是在真空条件下进行加热,将会呈现出负温度特性,这种 性质与半导体类似,出现固有电阻变小的现象。然而,如果是 在非真空的空气状态下,固有电阻在300℃以下并没有明显变 化,只有在300℃以上时会出现急剧增加的现象。 果 。通过将二硫化钨用于纳米二硫化钨薄膜,就能制造出一 种具有特殊层状结构的膜,这种膜具有很强的抗氧化能力,同 时能在更为广泛的温度范围内适用 。另外,在摩擦学方面, 由于其具有较小的摩擦系数,近年来越来越受到国内外学者的 广泛关注。 1.3 润滑特性 二硫化钨的摩擦系数与环境有很大的关系,在空气中摩擦 系数增加,在真空中会变小,即使摩擦中止,摩擦系数也会因为 1 纳米二硫化钨薄膜的基本特性 二硫化钨是一种具有金属光泽的,深灰色的结晶性粉末, 它是一种层状的六方晶体晶系结构,密度介于7.4 g/m 和7.5 表面上吸附的生成而增大。二硫化钨制成的薄膜具有更强的 环境依存特性,摩擦系数会在湿空气下显著增大。常温情况 下,载荷和速度高时,摩擦学性能高。在空气条件下,温度稍高 于常温时,具有很好的耐磨损性。与活泼金属接触加热,在高 温情况下,仍具有很强的稳定性。 s/m 之间。从微观上讲,二硫化钨晶体具有三个平面单元层, 分别为S—W—S,单元层内的钨原子被硫原子包围,而硫原子 呈三棱形分布,两两相连的原子之间具有很强的键,能带间隙 可以达到1.8 eV之高,不同层之间靠分子力连接,键力很弱,导 2纳米二硫化钨薄膜的研究进展 从1962年起至1971年,对二硫化钨的应用仅限于美国水 手号太空船,用于润滑太空船的关键部位。随着纳米二硫化钨 致两层之间很容易断开,这也是为什么二硫化钨的固体润滑性 能优秀的原因。下面分别对其具有的特性进行说明 J。 1.1 具有稳定的物化特性 在空气中,二硫化钨非常稳定,在水、油脂、醇类等有机溶 收稿日期:2017—01—04 薄膜技术的不断发展,美国已经将二硫化钨固体润滑薄膜技术 应用于除航天飞机之外的军用领域,如军用战斗机和其它军用 机械的润滑。另外,在计算机领域的硬盘驱动部分、高真空环 作者简介:施凯烽(1993一),男,浙江东阳人,在读硕士研究生,主要从事航空油料应用技术的研究工作。 ・60・ 山东化工 SHAND0NG CHEMICAL INDUSTRY 2017年第46卷 境下的转动系统、特殊条件下的滑动部件等领域也开始受到广 泛应用 。 。实际的运行经验表明,纳米二硫化钨薄膜的应用 能够极大的提高转动工件的使用寿命,一般能够达到原始寿命 的3.5~4倍。由于二硫化钨薄膜拥有层状结构,同时形成薄膜 的粒子又具有低硬度、耐高温的特性,这就决定了纳米二硫化 钨薄膜具有在特殊环境状况下做为润滑剂使用的功能。从二 润滑的效果也有变好的趋势。在摩擦占据主导地位的高载荷 下边界,伴随摩擦生热的加快,纳米二硫化钨薄膜也呈现出了 更高的活性,二硫化钨在摩擦副表面的吸附层是实现减摩抗磨 的主要原因。尽管,随着纳米二硫化钨添加量的不断,基础油 抗磨性能显著提高,但是并不会无限制提高,当添加量超过 9.0%质量分数时,润滑性能将会随着纳米二硫化钨的碰撞聚 十世纪九十年代后期开始,纳米二硫化钨薄膜技术开始被广泛 应用于航空、精密仪器和特殊环境条件下的润滑。 3纳米二硫化钨薄膜的应用 3.1 纳米二硫化钨薄膜应用于新型润滑领域 做为一种润滑减磨材料,纳米二硫化钨做为固体润滑材料 中的一种,因其近乎完美的润滑性能和良好的润滑效果,而受 到了科学界普遍的认可。在空气环境下,二硫化钨可以在一 270—650 ̄C温度范围内工作,但是在真空环境下,它可以在一 188—1316oC范围内工作。也正是基于二硫化钨的这一性能,长 期以来它被美国宇航局用于航空、航天、军事等环境条件比较 复杂和恶劣领域的润滑材料。然而,随着现代社会材料科学的 发展,二硫化钨这种以往只能用于高、精、尖领域的润滑作用的 物质开始逐渐广泛用于民用的汽车工业。被称为汽车工业血 液的发动机油长期以来伴随着汽车工业的进步而不断发展,据 统计,发达国家消耗的发动机油的量是总润滑油量的一半左 右。随着近些年来对环保和节能的要求日益严格,而传统的矿 物基发动机油非常容易污染环境,因此,全球大的石油公司都 开始了对绿色发动机有的研制开发。而目前的绿色发动机油 存在高温环境下,基础油极易被氧化,一旦被氧化,绿色发动机 油便失去其本来的润滑性能。所以,提高发动机油在高温环境 下的抗氧化性是绿色发动机油研制过程中的关键性问题。 至今为止,国内外的科研工作者已做了大量的工作,致力于 高温抗氧剂的研究和改性基础油的研制,主要的目的是提高绿 色发动机油在高温环境下的抗氧性能。另外,也有一部分科研 人员研究将耐高温固体润滑材料添加到绿色发动机油中以提高 发动机油在高温环境下的使用寿命 。在这一方面做的比较成 功的是美国PetrolMoly公司开发的PetrolMoly发动机油。这是一 种新型的发动机油,它其中的有效成分是二硫化钼固体润滑颗 粒。行车试验的结果表明,添加二硫化钼的PetrolMoly发动机油 比传统的发动机油氮氧化物的排放量降低73%,并且提高了 10%的燃油经济性,降低油耗37%。这种添加二硫化钼的发动 机油被联合国作为新技术、新产品向各成员国推荐,鼓励作为新 产品使用。而与钼同为VIB族元素的钨,具有与钼相似的化学 性质,同时比钼拥有更稳定的化学性质和更重的质量,而且,实验 室研究发现,二硫化钨的抗氧化性和热稳定性比二硫化钼更为 优越。这一发现促使国内相当多的科研人员开始了将二硫化钨 用于高温润滑脂的研究,并且已经取得了可观的成效 。 杨坤玉等在高性能绿色发动机油的研制过程中,为了延长 绿色润滑油的使用寿命和在极端环境条件下使用的可能性,而 在绿色润滑油中添加纳米二硫化钨粉末。从摩擦学性能方面 来说,纳米二硫化钨对于基础油减摩性能的提高非常有效,同 时对极压抗磨性能的提高也很有效,并且在高温、腐蚀情况下, 基础油的抗磨损性能仍然保持的很好。而且,作为与二硫化钼 同类的固体润滑材料,二硫化钨在提高基础油抗磨损性能方 面,具有更有优良效果 I。另外,研究中还发现,随着逐渐增加 纳米二硫化钨量添加量,吸附膜将会逐渐变得更为致密完整, 集而产生相反的效果,即乳化液润滑性能下降。 3.2 水基纳米二硫化钨薄膜在等温模锻中的应用 等温模锻指的是在保持模具和工件处于等温的情况下,依 靠控制缓慢的成形速度,来达到模锻成形的目的。研究显示, 在高温环境下,工件的应变速率变形比较缓慢,此时变形材料 的结晶可以更为充分和彻底,这样就能够有效避免加工硬化的 造成的不良影响 。克服了加工硬化的问题,那么具有复杂结 构以及高强度的工件的加工变具有了可能性。然而,在进行模 锻成形时,金属流动会受到摩擦的阻碍,造成锻压载荷变大,变 形能被消耗,工件组织将会出现不均匀的现象,甚至模膛充型 无法充分填充,以至于影响了模具使用周期,因此,在这个过程 中,润滑剂的使用尤为重要。市场上目前用于热模锻的润滑剂 一般都是石墨系润滑剂,类型非常单一。在高温情况下,石墨 的润滑性能比较好,但缺点是石墨的隔热保温性能非常不理 想,因为它是热的良导体。另一方面,由于石墨不能很好的附 着在金属表面,这就极大的影响了这种润滑剂用于等温模锻的 可能性u 。研究发现,二硫化钨是一种层片状固体润滑材料, 这一点与石墨的结构类似,而且相比于石墨,二硫化钨的抗极 压、耐高温性能非常优越,同时还能够很好吸附于金属表面,最 重要的是二硫化钨还是热的不良导体。前面提到,美国水手号 太空飞船最早应用二硫化钨用于其关键部位的润滑,近些年 来,一些极端条件下以及一些尖端工件的润滑也开始逐步使用 二硫化钨薄膜润滑,并且应用的效果也非常好。石琛经过研究 研究合成了一种水基纳米二硫化钨薄膜润滑剂,非常适合用于 等温模锻。通过实验将这种节能环保的水基润滑剂用于铝合 金的等温模锻工艺中,以制备出高强度铝合金工件,获得了非 常好的效果。石琛所研制出的纳米二硫化钨颗粒是由微米级 的二硫化钨颗粒制成的,这种微米级颗粒又是通过多能场复合 湿式法进行粉碎的。这种纳米二硫化钨的结构呈层片状,粒径 处于40—300 nm范围内,而且粒径平均为59 nm… 。通过进行 高强度铝合金工艺实践,发现纳米薄膜润滑剂可以吸附在磨具 表面形成致密的吸附膜,颗粒分布较为均匀,通过对比发现,如 果是石墨,那么形成吸附膜非常疏松。所以,将纳米二硫化钨 薄膜制成水基润滑剂,用于模锻过程,具有环保、高效、油烟少 的优点,比现在的其它的润滑剂的效果都要好。 4结论 当前,科学技术不断进步发展,工作环境也日益复杂:超高 温、超低温、高真空、高速或者大剂量辐射环境,这就对润滑剂 材料以及工件制备的质量提出了更严格的要求。传统的润滑 油模锻工艺无法达到要求,这就加速了润滑油行业和模锻工艺 的发展。膜技术得以发展。纳米二硫化钨薄膜应用于新型润 滑行业中,可以在延长润滑油使用寿命的同时,提高了其应用 于极端条件下的可能性;在高温模锻中,这种材料具有成型好、 制作工件均匀,以及绿色、高效的优点。鉴于二硫化钨薄膜具 有如此优异的性能,其应用前景也是非常广阔的。然而现在, (下转第62页) ・62・ 山东化工 SHAND0NG CHEMICAL INDUSTRY 2017年第46卷 分离出油、水、泥三相,其中反应温度和时间、破乳剂选择、搅拌 [6]E1一Nawawy A S,E1一Bagouril H,Abdal M,et a1. 强度及泥水比,将对除油率产生一定的影响。将含油污泥用化 学破乳加机械三相离心分离技术处理后,原油回收率高达90% Biodegradation of oily sludge in Kuwait[J].World Journal of Microbiology and Bioteehnology,1992(8):618—620. 以上,分离出的油可以回收利用,分离出的水可以回用于含油 污泥处理,能够降低破乳剂用量,达到减少排污量,重复利用, 又降低成本的目的。 [7]Sandvik Sveinung,Lode Aaslaug,Pedemen Tot Arve. Biodegradation of oily sludge in Norwegian soils[J].Appl Microbl Biotechnol,1986(23):297—301. 2结束语 随着人们环境保护意识的提高,含油污泥的处理技术得到 越来越多国内外学者的关注,为实现含油污泥彻底处理和资源 化利用,国内外学者进行了大量的研究并取得了一定的成果。 [8]Gallego J L R,Garcia Martinez M J,Llamas J F,et a1. Biodegradation of oil tank bottom sludge using microbial conso ̄ia[J].Biodegradation,2007(18):269—281. [9]崔秋凯,牟彤,邵胜学,等.含油污泥无害化处理的方法: 目前,含油污泥的处理技术多种多样,但各项技术均有一定的 局限性,仅凭单一的处理技术很难满足环保要求。因此,将各 项技术有机组合,优势互补,是含油污泥实现彻底无害化的发 展方向之一。将离心分离技术作为核心,多种预处理和后续处 理技术相结合的工艺较可行,适合我国现阶段及未来的含油污 泥处理需要。应结合国内实际情况,在引进国外关键技术和设 备的基础上,逐步形成满足我国环保需要的含油污泥处理新 技术。 CN,101172738『P].2008—05—07. [1O]李大平,何晓红,田崇民,等.生物浮选法处理含油污泥 [J].环境工程,2006,24(1):58—60. [11]Je—Lueng Shie,Jyh—Lueng Shie,Jyh—Ping Lin,et a1. Oxidative thermal treatmengt of oi1 sludge at low heating rates [J].Enery and Fuelgs,2000,14:1176—1183. [12]Jelueng Shie,Chingyuan Chang,Jyhping Lin,et a1.Use of Inexpensive Additives in Pyrolysis of Oil Sludge[J].Enery g&Fuels,2002,16(1):102—108. 参考文献 [1]张秀霞,耿春香,冯成武.溶剂萃取一蒸气蒸馏法处理含油 [13]Chingyuan C,Jelueng S,Jyhping L,et a1.Major products obtmned from the pyrolysis of oil sludge[J].Enery Fuelgs, 2000,14(6):1176—1183. 污泥[J].上海环境科学,2000,19(5):228—229. [2]车承丹,吴少林,朱南文,等.含油污泥石油醚浸提技术研究 [J].安全与环境学报,2008,8(1):56—58. [3]黄戊生,常文兴.从含油污泥中回收原油[J].环境保护科 学,2001,27(104):7—8. [14]Jelueng S,Jyhping L,Chingyuan C,et a1.Use of calcium compounds as additives for oil sludge pyrolysis[J].Chinese Institute of Environmentla Engineering(Taiwan),2002,12 (4):363—371. [4]陈忠喜.大庆油田含油污水及含油污泥生化/物化处理技术 研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006. [5]关月明,张忠智,张卫木,等.生物地耕法降解含油污泥的研 究[J].石油化工高等学校学报,2010,23(4):44—47,55. (上接第6o页) 在其制作的工艺上,不同的研究者技术千差万别,各有千秋,因 (本文文献格式:李小龙。纵瑞耘,宿辉,等.含油污泥处理技 术研究进展[J].山东化工。2017,46(5):61—62.) [8]邢鹏飞,翟玉舂,田彦文,等.WS 在空气中氧化动力学的研 究[J].金属学报,1996,32(2):187—190. [9]张志琨,崔作林.纳米技术与纳米材料[M].北京:国防工业 出版社,2000. 此未来大规模的工业化还需要一定的时间。 参考文献 [1]Murugan P,Kumar V,Kawazoe Y,et a1.Atomic structures and magnetismin small MoS2 and WS2 clusters[J].Physical Review Atomic Molecular and Optical Physics,2005,71(6):1—6. [1O]石琛,毛大恒,俸颢.二硫化钨发动机油的摩擦学性能 研究[J].润滑与密封,2007,32(3):83—87. [11]石森森.固体润滑材料[M].北京:化学工业出版社,2000. [2]颜志光.润滑材料与润滑技术[M].上海:同济大学出版 社,1990. [12]王海斗,庄大明,王昆林,等.高速钢离子渗硫层的摩擦磨 损性能研究[J].摩擦学学报,2002,22(7):250—253. [3]Jaroslav S,Gunnar S.Ion bombardment of solid lubricating nanopartiele coatings[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,1997,127/128:945—948. [13]邹娣,刘晓.高酸值乙醇润滑下几种活塞环材料的摩 擦学性能[J].重庆工商大学学报:自然科学版,2006,23 (1):89—92. [4]姚建文.常用设备润滑技术[M].北京:科学技术文献出版 社,1991. [14]杨坤玉,毛大恒.纳米二硫化钨的基本应用于制备方法比 较[J].中国钨业,2008,23(4):42—45. [15]徐泽儒.金属硫化物减摩材料的研究[J].河南冶金,1997 (2):26—29. [5]Gregory S W,Thierry B.Lubrication of Mo,W,and their alloys with H2 S gas admixtures to room temperature air[J].Wea=r, 1999,225/226:581—586. [16]程继贵,熊二涛,蒋 阳,等.WS 超细粉体的固相法合成 [J].应用化学,2006,23(7):786—789. [6]陈津,魏丽乔,许并社.纳米非金属功能材料[M].北京: 化学工业出版社。2007. [17]石琛,毛大恒,俸颢.水基纳米二硫化钨等温模锻润滑剂 [7]Baranov N G,Ageeva V S,II’nitskaya A I,et a1.Structure and tribological characteristics of copper—tungsten disulide powder f的制备与应用[J].中南大学学报,2015,46(4):1253—1259. (本文文献格式:施凯烽。谢凤.纳米二硫化钨薄膜的应用研 composite material[J].Soviet Powder Metallury and Metgla Ceramics,1991,29(10):832—835. 究现状[J].山东化工,2017。46(5):59—6O,62.) 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容