《超薄二硫化钼添加剂在类金刚石碳/聚α-烯烃固-液复合润滑系统中的界面润滑机制》学术研究报告
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究由来自中国南昌大学先进制造学院、重庆研究院及摩擦学重点实验室的多个研究团队合作完成。主要作者包括Yanghua Chen, Minmin Dong, Taoping Wang, Jin Lei, Xiaobing Li, Wenhu Xu, Min Zhong, Jianfeng Chen, Guangbin Yi，通讯作者为Meirong Yi。该研究论文于2026年1月16日在线发表于学术期刊 《Diamond & Related Materials》 第162卷（2026年），文章编号为113345。
二、 学术背景与研究目的
本研究的科学领域隶属于先进材料摩擦学与表面工程的交叉领域。随着全球对提升能源效率与实现碳中和目标的迫切需求，开发创新的减摩技术对于机械工程应用至关重要。类金刚石碳（Diamond-Like Carbon, DLC）涂层因其高硬度、优异的耐磨性，已被广泛应用于轴承、齿轮等关键机械部件。然而，DLC涂层在实际应用中面临挑战：其摩擦学性能严重依赖于环境，且在摩擦过程中依赖表面石墨化（sp3向sp2转变）来降低摩擦，这一过程本身会加速涂层结构退化，损害长期耐久性。同时，作为另一类重要的固体润滑剂，二维纳米材料如二硫化钼（MoS₂）特别是超薄MoS₂纳米片，已被证明在钢/钢摩擦副中具有卓越的减摩抗磨性能。但是，现有研究大多聚焦于钢基摩擦系统，对于MoS₂添加剂在DLC涂层这一非铁基、高化学稳定性表面的润滑行为与机制知之甚少，文献中甚至存在相互矛盾的结论。
因此，本研究旨在填补这一知识空白，系统地探究超薄MoS₂纳米片作为润滑油添加剂，与三种不同类型DLC涂层（非晶未掺杂DLC、硅掺杂DLC、钛掺杂DLC）组合，在钢/DLC和DLC/DLC两种接触模式下的摩擦学性能与界面作用机制。研究目标在于阐明MoS₂在DLC涂层表面形成保护性摩擦膜（Tribofilm）的机制（是物理吸附还是化学反应），评估其对DLC涂层石墨化过程的抑制效果，并最终为设计结合了定制化DLC涂层与超薄纳米添加剂的高性能混合润滑系统提供关键理论依据与技术指导。
三、 详细研究流程与实验方法
本研究包含一系列严谨且相互关联的流程，从材料制备、表征到摩擦学测试与表面分析，形成了一个完整的闭环研究体系。
1. 材料制备与表征 * 超薄MoS₂纳米片的制备与表征：研究团队采用此前工作中报道的溶剂热法合成了超薄MoS₂纳米片。通过透射电子显微镜（TEM）表征证实其呈片状形貌，横向尺寸为20-30纳米，由2-4个原子层构成（超薄结构）。X射线光电子能谱（XPS）分析确认了MoS₂的化学组成与价态（Mo 3d, S 2p），并检测到来自合成过程中油胺分子的氮信号，表明表面经过有机修饰。静态沉降实验显示，含4 wt% MoS₂的聚α-烯烃（PAO 6）基础油在静置长达480小时后仍保持均匀分散，无可见沉淀，证明了其优异的胶体稳定性，这归功于油胺的立体稳定作用。 * 三种DLC涂层的制备与表征：采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在AISI 52100钢球和盘基底上沉积了三种涂层：非晶未掺杂DLC（U-DLC）、硅掺杂DLC（Si-DLC）和钛掺杂DLC（Ti-DLC）。通过扫描电子显微镜（SEM）观察涂层横截面，测量其厚度（U-DLC: 1.8 μm， Si-DLC: 2.9 μm， Ti-DLC: 2.6 μm），确认涂层连续、无缺陷。原子力显微镜（AFM）测量表面粗糙度，均在纳米级平滑范围内。纳米压痕测试评估力学性能，结果表明U-DLC具有最高的硬度（13.29 GPa）和弹性模量（156.17 GPa），而掺杂涂层（Si-DLC, Ti-DLC）硬度与模量降低，但具有更高的H/E比值（Si-DLC: 0.104， Ti-DLC: 0.098），预示其可能具有更好的抗塑性变形和耐磨性能。拉曼光谱（Raman）和XPS分析了涂层的化学结构与键合状态，确认了各自的掺杂元素（Si, Ti）以Si-C、Ti-C等形式存在，并量化了sp2/sp3碳的比例。
2. 摩擦学测试 * 测试配置与条件：使用往复式球-盘摩擦磨损试验机（UMT-3）进行测试。研究了两种摩擦副配置：钢/DLC（钢球对DLC涂层盘）和DLC/DLC（同种DLC涂层球对盘）。润滑条件分为两种：纯PAO基础油和含4 wt% MoS₂纳米片的PAO油（前期浓度优化实验确定4 wt%为最佳浓度）。测试在环境条件下进行，参数设置为：频率4 Hz，行程5 mm，总时长30分钟，平均滑动速度0.04 m/s。载荷设置为20 N和30 N，以探究负载影响。每个条件重复三次以保证统计可靠性。 * 测试过程：每次测试前，使用微量移液器在盘中心滴加5 μL润滑剂。测试全程记录摩擦系数曲线。测试结束后，使用丙酮对试样进行超声波清洗以去除残留润滑剂和磨屑。
3. 后测试表征与分析 * 磨损形貌与体积分析：使用SEM观察上试球（球）和下试盘（盘）的磨损区域形貌，测量磨斑直径和观察损伤特征（如犁沟、剥落等）。使用三维轮廓仪获取磨损轨迹的二维剖面和三维形貌图，并计算磨损深度和磨损体积（对于DLC/DLC副因磨损极浅而无法可靠定量时，则进行定性比较）。 * 表面化学与结构分析：这是揭示润滑机制的核心环节。 * 拉曼光谱分析：对磨损轨迹进行拉曼光谱测试，通过D峰与G峰的强度比（Id/Ig）的变化，定量评估摩擦过程中DLC涂层石墨化程度的变化。 * 能谱（EDS）元素分布分析：对含MoS₂润滑剂测试后的磨损轨迹进行EDS面扫，检测Mo和S元素的分布。为了区分物理吸附与化学键合/强附着，研究采用了关键的后处理步骤：先对样品进行初始EDS分析，然后将其置于丙酮中进行10分钟超声波清洗，以去除弱吸附的颗粒，之后再次进行EDS分析。通过对比清洗前后Mo、S信号的保留情况，来判断界面作用机制。 * X射线光电子能谱（XPS）深度分析：针对表现出特殊化学活性的Ti-DLC体系，对清洗后的磨损表面进行高分辨XPS分析。通过分析C 1s、O 1s、Ti 2p、Mo 3d、S 2p等谱图，精确鉴定表面元素的化学状态（如Ti-S, MoS2, MoO3等），从而直接证实摩擦化学反应的发生。为了获得更体相的信息并排除表面污染，还对样品进行了Ar+溅射（150 nm深度）并进行深度剖析。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究获得了一系列层次分明、相互印证的结果，逐步揭示了MoS₂与不同DLC涂层相互作用的复杂图景。
1. 摩擦与磨损性能结果： * 摩擦系数：在20 N载荷下，与纯PAO油相比，添加MoS₂使所有钢/DLC摩擦副的摩擦系数降低了11.53%至19.77%，其中钢/Si-DLC副的降低幅度最大（19.77%）。然而，这种减摩效果具有明显的负载依赖性，在30 N较高载荷下，减摩效果显著减弱（仅降低1.34%至12.30%）。在所有测试配置中，DLC/DLC同质配对表现出最稳定且最低的摩擦系数，在含MoS₂润滑下表现尤为优异。 * 磨损性能：磨损分析揭示了更显著的改善。对于钢/U-DLC副，在纯PAO润滑下磨损严重，甚至比钢/钢参考副更差（磨损体积增加52.5%），这归因于摩擦热导致的钢与DLC界面间的碳扩散加速了涂层剥落。然而，添加MoS₂后，该副的磨损率实现了惊人的91.82%的降低，性能提升远超钢/Si-DLC和钢/Ti-DLC副（约50%的磨损降低）。这主要归功于MoS₂有效抑制了U-DLC过快的石墨化进程。DLC/DLC副则展现出卓越的抗磨损能力，在含MoS₂润滑下，其磨损轨迹极浅，表面几乎保持原始状态，显示了最优异的耐久性。
2. 表面分析揭示的机制： * 石墨化抑制：拉曼光谱结果显示，所有DLC涂层在摩擦后Id/Ig比值均上升，证实了摩擦诱导的石墨化。但关键发现是，使用含MoS₂的润滑剂后，所有体系的Id/Ig比值上升幅度均小于使用纯PAO润滑的情况。这表明MoS₂添加剂的引入，通过形成界面膜，在一定程度上抑制或延缓了DLC涂层的石墨化降解，这对于延长涂层寿命至关重要。 * 界面作用机制的分化——EDS清洗实验的关键证据： * 对于U-DLC和Si-DLC（及其同质配对），经丙酮超声波清洗后，磨损表面的Mo和S信号完全消失。这明确表明，MoS₂纳米片在这些涂层表面主要通过物理吸附作用附着。这种吸附膜也能提供润滑保护，但结合力相对较弱。 * 对于Ti-DLC（及其同质配对），即使经过剧烈的超声波清洗，磨损表面仍能检测到显著的Mo和S元素信号残留。这强有力地表明，在Ti-DLC表面，MoS₂发生了摩擦化学反应或形成了结合力极强的摩擦膜。 * 摩擦化学反应的直接证明——XPS分析： * 对清洗后Ti-DLC磨损表面的高分辨XPS分析提供了化学键合的直接证据。光谱中不仅检测到MoS₂和可能的氧化产物（MoO₃），更重要的是，在S 2p谱中识别出归属于Ti-S键的特征峰（~160.3⁄161.5 eV），在Ti 2p谱中也观察到可能与Ti-S相关的信号。此外，还检测到MoS₂₋ₓ等缺硫物种，表明摩擦过程中发生了S的转移。这些结果确证了在Ti-DLC表面，MoS₂通过形成Ti-S等化合物发生了摩擦化学反应，从而形成了化学键合的、牢固的边界润滑膜。
五、 研究结论与价值意义
本研究系统阐明了超薄MoS₂纳米片在DLC基固-液复合润滑系统中的界面润滑机制，得出以下核心结论： 1. 性能提升：超薄MoS₂纳米片作为添加剂，能有效降低钢/DLC及DLC/DLC接触的摩擦与磨损，但其减摩效果随负载增加而减弱。对于机械性能较差的U-DLC，MoS₂通过显著抑制其石墨化，带来了最突出的抗磨改善（磨损降低91.82%）。 2. 机制分化：MoS₂与不同DLC涂层的界面作用机制截然不同。对于非晶未掺杂DLC（U-DLC）和硅掺杂DLC（Si-DLC），润滑机制以MoS₂纳米片的物理吸附为主导。对于钛掺杂DLC（Ti-DLC），则发生了摩擦化学反应，形成以Ti-S复合物为特征的化学键合摩擦膜。 3. 最佳配置：同质DLC/DLC摩擦副（尤其是掺杂DLC）结合MoS₂添加剂，能够实现最低的摩擦、几乎可忽略的磨损以及最强的石墨化抑制效果，代表了最优的润滑系统配置。
本研究的价值体现在： * 科学价值：首次清晰揭示了MoS₂在非铁基、高化学稳定性DLC涂层表面的差异化润滑机制（物理吸附 vs. 摩擦化学反应），建立了涂层掺杂元素（Ti）与润滑添加剂（MoS₂）之间特异性化学作用的直接实验证据，深化了对固-液复合润滑界面科学的基本理解。 * 应用价值：为设计下一代高性能、长寿命的混合润滑系统提供了明确的指导原则。例如，对于需要极致抗磨的应用，可考虑采用U-DLC配合MoS₂添加剂以抑制其弱点；对于需要稳定低摩擦和化学活性界面的场合，Ti-DLC与含S/Mo添加剂的组合更具优势；而追求系统级最高可靠性的应用，则应优先选择同质掺杂DLC配对与纳米添加剂的组合。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的发现
研究还指出，在纯PAO润滑下，钢/U-DLC副的磨损甚至比钢/钢副更严重，这关联于钢与碳之间不利的热化学相互作用导致的碳扩散与加速剥落。这一现象反衬出MoS₂添加剂在调和钢与DLC界面相容性方面的关键作用。此外，研究确认了表面经油胺修饰的超薄MoS₂纳米片在PAO油中具有优异的长期分散稳定性，这是其在实际润滑系统中得以有效应用的重要前提。