二硫化钼-聚乙烯醇纳米复合材料的制备及性能研究..doc

二硫化钼/聚乙烯醇纳米复合材料的制备及性能研究 文献综述 前言 成功制备单层石墨烯[1]，开辟了研究二维材料的途径。随着研究设备和方法的改进和发展，人们对二维材料的研究越来越深，其中过渡金属二硫化物逐渐引起人们兴趣和关注，过渡金属二硫化物是MX2类型的化合物，M代表第Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ族的过渡金属，X代表S、Se和Te等硫族元素[2-3]。过渡金属二硫化物在传感器[4]、晶体管[5]和集成电路[6]等领域有大量 应用。二维的过渡金属二硫化物有很强层内作用力和较弱的层间作用力，这使其具有各向异性。从20世纪60年代对干润滑[7]、催化[8]和电池[9]等研究之后，二硫化钼（MoS2）逐渐成为研究最广泛的过渡金属二硫化物之一，直到目前MoS2在半导体以及高分子纳米复合材料领域仍是研究的热点。本文将在MoS2在高分子纳米复合材料的应用方面进行总结。 1.MoS2的结构和物理性质 二硫化钼外观呈黑灰色略带蓝色，有滑腻感，是从辉钼矿提纯得到的一种矿物质。稳定的二硫化钼晶形属于六方晶系的层状结构(2H)，密度为4.5～4.8g/，熔点1185℃。二硫化钼晶体结构中存在一种夹心式板层，是由S-Mo-S三个平面层组成的单元层(图-1)。在单元层内部，每个钼原子被三棱形分布的硫原子包围着，它们以很强的共价键联系在一起。层与层之间的距离为0.615nm，仅以较弱的范德华力相联接，在25个微米的薄层内就有近4万个单元层，而且极易从层与层之间劈开，从而具有很好的固体润滑性能。二硫化钼与金属表面的结合力很强，能形成一层很牢固的膜，其摩擦系数一般在0.06左右[10]。 图-1：二硫化钼晶体结构示意图 图-2二硫化钼晶形结构示意图 二硫化钼有两个亚稳态的晶形结构，分别是三棱柱配位(3R)和八面体配位(1T)。2H与3R结构的区别在于晶胞中沿c轴方向2H晶形含有两个S-Mo-S结构，而3R晶形中含有3个S-Mo-S单元。新合成的1T二硫化钼和单分子层二硫化钼中钼原子采用八面体配位如图-2所示，并表现出金属或准金属性。这些亚稳态的结构在高温下(400～1200℃)处理可以转变成稳定的2H结构。 二硫化钼粉末同石墨一样，呈扁平状。其截面尺寸比(厚度与棱边之比)约为1:120二硫化钼粉末的棱面活性高且坚硬，可磨削金属。其物理性能随晶体取向而异，晶体的各向异性有助于提高承载能力，如2.5μm厚的薄膜能承受2800MPa的接触压力。 二硫化钼的热稳定性较好。在大气中，当温度升至350～400℃时发生氧化，生成MoO3，MoO3是硬质颗粒，附着于摩擦表面将成为磨粒。在真空和惰性气体气氛中，二硫化钼在1100℃时仍保持很稳定的结构。 二硫化钼能被王水、浓硫酸、沸腾浓盐酸、纯氧、氟、高温氯和氢侵蚀，在其它酸碱、药品、溶剂、水、石油产品及合成润滑剂中不溶解。对环境气氛是稳定的。一般条件下，不与金属发生反应，也不侵蚀橡胶材料，其抗辐射性能也较好。 MoS2的蒸发率小。在200～2500℃时为/(·S)，此值比锡之外的任何一种软金属都低，表明二硫化钼在真空中的稳定性高。但是，二硫化钼蒸发率的温度梯度大，在430℃以上的高温条件下，蒸发率便增大。 每一个二硫化钼片层中，S-Mo-S原子间以三棱柱状形成共价键，最终形成六边形结构。最常见的形式是六面体和八面体结构，前者具有半导体属性，而后者具有金属属性，前者比后者更早被发现[11]，理论上，前者比后者更稳定[12]，S-Mo键键长2.4?，相邻两层间距为3.1?。MoS2拥有很高的机械强度，其杨氏模量甚至比钢铁还高[13]，MoS2片层形变量可以达到11％而不断裂[14]，曲率半径可达0.75mm而不影响电子特性。MoS2具有压电效应，可以被用于制作敏感的机械传感器[15]。 2.二硫化钼的应用 2.1二硫化钼的润滑特性 对二硫化钼的历史可追溯到17世纪，当早期的探矿者和开拓者用它来润滑矿车车轴时，更流行的名字不是二硫化钼，而是众所周知的Moly二硫化钼在商业上的应用是在20世纪的20年代，从40年代开始的技术研究中指出二硫化钼在高真空、高温和高压下的润滑非常有效。现在二硫化钼已经成为应用最广泛的固体润滑剂[16]。其中所采用的形态及方法较多，如粉剂、油剂、水剂，或与其他金属或高分子材料组成复合润滑材料，用各种溶剂或粘接剂将二硫化钼悬浮液抹、喷涂在摩擦表面形成干膜，或者用离子喷涂、溅射等方法把二硫化钼粘着在摩擦表面形成被膜等。 二硫化钼在金属表面上的粘着强度比石墨高，其中的硫是活性元素，它可与清洁表面的金属原子发生较强的吸附作用，在摩擦时可以在对磨面上逐渐形成一层二硫化钼转移膜，这层膜可以耐35Mpa的压力，也可以耐40m/s的摩擦速度。在摩擦的同时，二硫化钼的片层结构在摩擦力的诱导下开始沿着平行于摩擦的方向排列，润滑