该文档为一份单一原创性研究报告。以下是据此撰写的学术报告。
本次研究的主要作者为高振荣（Zhenrong Gao）、聂威明（Weiming Nie）、王海新（Haixin Wang）、任思铭（Siming Ren, *通讯作者）、杜大力（Dali Du）、杜世宇（Shiyu Du）和李金龙（Jinlong Li, **通讯作者）。作者们主要来自浙江工业大学材料科学与工程学院，以及中国科学院宁波材料技术与工程研究所的海洋材料与防护技术重点实验室。该研究发表于复合材料领域的知名期刊《Composites Part B: Engineering》第275卷（2024年），文章编号为111350，于2024年2月27日在线发表。
研究的学术背景聚焦于固体润滑材料领域，特别是针对二硫化钼（MoS2）在极端环境下的应用局限性展开。MoS2作为一种经典的固体润滑剂，因其独特的层状结构和层间易于滑移的特性，在航天、核工业、机械和电子等领域有着广泛应用。然而，其润滑性能高度依赖环境，在潮湿空气或高温下易发生氧化，导致摩擦系数升高和快速磨损，这严重限制了其在苛刻工况（如高负荷、高速度、高温及气氛交替）下的有效应用。长期以来，研究人员通过掺杂金属、非金属或其他化合物，以及构建多层结构来改善MoS2薄膜的性能，但在超过350℃的高温下，其摩擦学性能往往急剧恶化，难以满足先进工业技术对高温、长寿命润滑的需求。因此，开发一种兼具优异力学性能、环境适应性和高效高温润滑能力的MoS2基复合材料，成为该领域一个持续的研究挑战。本研究的目的是设计并制备一种新型的纳米层状MoS2/WB2薄膜，通过独特的结构设计，协同利用MoS2的润滑性和WB2的高硬度、高热稳定性，旨在显著提升材料在宽温域（室温至400℃）内的摩擦学性能和机械性能，并深入探究其背后的摩擦机制。
研究的详细工作流程系统且严谨，主要包括薄膜制备、性能表征、摩擦学测试和机理分析四大环节。首先，研究团队采用非平衡磁控溅射技术（unbalanced magnetron sputtering）在316L不锈钢和硅基底上制备了MoS2/WB2纳米层状薄膜。这是一个创新的制备过程：溅射腔室内设有六个靶材，包括一个WB2靶、四个MoS2靶和一个Ti靶。通过精确控制基底旋转速率（2转/分钟）和交替暴露于不同靶材的等离子体下，成功构筑了周期性交替排列的MoS2/WB2纳米多层结构。具体沉积过程包括：首先使用Ar+离子刻蚀清洗基底，然后沉积Ti过渡层以增强膜基结合力；随后，通过梯度变化MoS2、WB2和Ti靶的电流，形成Ti/MoS2/WB2梯度过渡层；最终，通过固定MoS2靶电流（1.6 A）并系统改变WB2靶电流（0.4 A， 0.6 A， 0.8 A， 1.0 A， 1.2 A），制备出了一系列具有不同WB2成分的纳米层状薄膜，分别命名为MoS2/WB2-0.4A至MoS2/WB2-1.2A。整个沉积过程在约50-80°C的低温下进行，总沉积时间180分钟，沉积速率约为12-15 nm/分钟。
其次，对制备的薄膜进行了全面的材料表征。利用X射线光电子能谱（XPS）分析了薄膜的化学成分和化学键态，确认了MoS2、WB2及其缺陷相（如MoS2-x和WB2-x）的存在。通过X射线衍射（XRD）分析了薄膜的晶体结构，发现WB2主要以非晶或纳米晶形式存在，而MoS2的（002）晶面衍射峰强度随WB2靶电流增加而增强，表明WB2的引入促进了MoS2沿润滑性能最佳的（002）基面择优生长。利用电子探针显微分析（EPMA）和扫描电子显微镜（SEM）确认了元素分布均匀性和薄膜的截面形貌，显示薄膜呈现出致密的鱼鳞状结构，而非传统的柱状晶结构。特别重要的是，通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）直接观察到了清晰的MoS2（~6 nm厚）与WB2（~2 nm厚）交替堆叠的纳米层状结构，并且界面处存在互扩散，形成了强界面结合。此外，研究还采用了维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行第一性原理计算，比较了WB2（004）/MoS2（002）与WB2（004）/MoS2（100）两种界面构型的结合能，从理论上解释了WB2促进MoS2（002）面生长的原因。
第三，系统评估了薄膜的力学性能和摩擦学性能。力学性能方面，使用纳米压痕仪测试了薄膜的纳米硬度和弹性模量，并计算了硬度与弹性模量之比（H/E，通常与材料的耐磨性相关）。使用划痕测试仪评估了薄膜的膜基结合力（临界载荷）。摩擦学测试分为两个部分：在室温（25°C，相对湿度~45%）下，使用往复式滑动摩擦磨损试验机（CSM TRB3）进行测试，对磨件为GCR15钢球，负载5 N；在高温（100°C， 200°C， 300°C， 400°C）下，由于设备限制，改用旋转式摩擦磨损试验机（CSM THT1000）进行测试。测试后，使用表面轮廓仪测量磨损体积并计算比磨损率。同时，使用激光共聚焦显微镜、拉曼光谱仪、扫描电镜（配备能谱EDS）和透射电镜（包括高角环形暗场像HAADF）等多种技术，对磨痕、对磨球上的磨斑以及摩擦过程中形成的转移膜（tribofilm）的形貌、成分和微观结构进行了深入分析，这是揭示摩擦机制的关键。
研究取得了一系列重要且相互关联的结果。在结构和力学性能方面，结果表明，WB2的引入显著改变了薄膜的微观结构和性能。XRD和HRTEM结果证实，当WB2靶电流达到1.0 A时，薄膜形成了理想的纳米层状结构，且MoS2（002）晶面高度择优取向。这种结构带来了显著的力学性能提升：MoS2/WB2-1.0 A薄膜的硬度达到约9.5 GPa，弹性模量约为101 GPa，其H/E值高达约0.098，远高于低WB2含量的薄膜（如MoS2/WB2-0.4 A的H/E约为0.062）。高的H/E值预示着优异的韧性、抗裂性和耐磨性。划痕测试也显示MoS2/WB2-1.0 A薄膜具有最高的临界载荷（23.7 N），表明其膜基结合力最好。VASP计算结果显示，WB2（004）/MoS2（002）界面构型比WB2（004）/MoS2（100）更稳定，结合能更低（分别为-17.538 eV和-16.517 eV），这从原子尺度解释了实验观察到的择优生长现象。高温纳米压痕测试进一步表明，即使在400°C下，MoS2/WB2-1.0 A薄膜仍能保持约3.92 GPa的硬度和稳定的H/E值（~0.06），而对比样品MoS2/WB2-0.4 A薄膜在400°C时硬度已降至1.63 GPa，且氧化严重。这些结果为后续薄膜在高温下仍能保持良好摩擦学性能奠定了力学基础。
在摩擦学性能方面，结果呈现出明确的规律性。室温潮湿空气中的测试显示，MoS2/WB2-1.0 A薄膜表现出最低且最稳定的摩擦系数（0.056）和最低的比磨损率（1.88 × 10⁻⁷ mm³ N⁻¹ m⁻¹）。光学形貌和拉曼分析表明，其磨痕光滑，且在对磨球上形成了连续、完整的转移膜。高温摩擦测试结果更为突出：在25°C至400°C的宽温域内，MoS2/WB2-1.0 A薄膜均能保持稳定的低摩擦状态。尽管摩擦系数和磨损率随温度升高有所上升（400°C时摩擦系数约0.105），但其性能显著优于文献中报道的其他MoS2基材料，成功地将MoS2的有效润滑温度上限扩展至400°C。拉曼光谱分析揭示了不同温度下转移膜化学成分的演变：室温下，转移膜主要由MoS2和少量金属氧化物（MeOx，如MoOx， WOx）组成；在100-200°C，水分子影响减弱，转移膜以MoS2为主，氧化物信号很弱；当温度升至300°C及以上，薄膜组分发生氧化，转移膜中检测到强烈的MoO₃、WO₃和B₂O₃信号。
最关键的是，通过聚焦离子束（FIB）切割和HRTEM对转移膜的横截面进行微观结构解析，直接观测到了摩擦机制的核心。研究发现，无论是在室温还是400°C高温下形成的转移膜中，都存在大量的球形或颗粒状金属氧化物纳米颗粒（MeOx NPs），这些纳米颗粒被高度有序的MoS2（002）纳米片所包裹或与之相互作用。这种独特的“纳米片包裹氧化物纳米颗粒”的微观结构，是材料实现低摩擦和抗磨损的关键。其作用机制在于：第一，硬质的氧化物纳米颗粒起到了“承载点”的作用，将宏观的滑动接触分解为无数个微观的、非共格的MeOx/MoS2纳米接触，极大地减少了真实接触面积，从而降低了摩擦。第二，包裹结构避免了氧化物颗粒之间的直接接触和团聚，减少了磨粒磨损。第三，纳米层状薄膜本身的高硬度、高H/E值和强界面结合，为其提供了优异的承载能力和抗磨损基础，确保了在摩擦过程中能生成并维持这样一个功能性转移膜。
本研究的结论是，通过磁控溅射技术成功设计并制备了一种新型的MoS2/WB2纳米层状薄膜。该薄膜独特的结构设计（MoS2与超薄WB2层周期性交替排列）实现了材料性能的协同提升：WB2的引入不仅显著增强了薄膜的力学性能（硬度、H/E值、结合力），促进了MoS2（002）润滑晶面的择优生长，还提高了薄膜的抗氧化性和热稳定性。更重要的是，这种结构使得薄膜在摩擦过程中能够自发形成一种动态适应的功能性转移膜，其核心特征是由MoS2纳米片包裹金属氧化物纳米颗粒。这种结构在宽温域内（室温至400°C）有效降低了摩擦和磨损。该研究不仅提供了一种制备高性能、耐高温固体润滑薄膜的有效策略，而且通过多尺度表征（从原子模拟到微观结构观测）深入揭示了其摩擦机制，即“纳米片包裹氧化物纳米颗粒”的界面结构是实现宽温域高效润滑的关键。
本研究的亮点突出。第一，研究思路新颖，将具有润滑性的MoS2与高硬度的过渡金属二硼化物WB2结合，构建纳米层状结构，巧妙地将两种材料的优势融为一体。第二，研究方法全面深入，结合了先进的材料制备、系统的性能测试、从原子尺度到微观尺度的多层级结构表征（包括VASP计算、HRTEM、EDS等），以及针对转移膜的精细横截面分析，为机理阐释提供了坚实证据。第三，研究成果显著，所制备的薄膜在力学性能（H/E ~0.1）、环境适应性（潮湿空气）和高温润滑性能（高达400°C）方面均取得了突破，特别是明确地将MoS2基材料的有效高温润滑界限推至400°C，并揭示了其普适性的摩擦机制，对发展 robust 和耐高温润滑剂具有重要的指导价值。
此外，研究还包含了一些有价值的细节，例如探讨了不同WB2靶电流（即不同WB2层厚）对薄膜结构（如是否形成连续层状）和性能的影响，确定了1.0 A为最优工艺参数；研究了不同载荷下的摩擦学行为，证明了薄膜在较宽载荷范围内的适应性；通过高温加热处理对比，直观展示了纳米层状薄膜优异的抗氧化性。这些内容进一步丰富了研究的深度和实用性。