二硫化钼的润滑机理研讨.doc

二硫化钼的润滑机理 一种固体润滑材料若愈能成为优良的润滑剂。起码应具备两种特性： 该材料晶体内剪切强度低，有许多良好的天然滑移面。2.该材料应能牢固附着于底材金属表面上。 只有当该材料与金属底材面间的附着力大于晶体内剪切强度时，滑动才会发生在该材料的晶体内部，而不发生在底材金属与底材金属之间，或底材金属和润滑剂之间。附着力与剪切强度相差得愈大，该材料的润滑性能愈好，其摩擦系数（μ）与磨损（√）也愈小。 下面从这几方面来研究探讨二硫化钼的润滑机理： 二硫化钼的晶体结构 MoS2中含钼59.94%，硫40.06%。自然界天然产出的晶体MoS2呗称作“辉钼矿”。其组成部分与上述理论值相近。偶有钨、铼、锇或硒、碲作为类质同象元素取代钼或硫，进入晶格，而成为辉钼矿中的微量元素。 二硫化钼的晶体结构图 二硫化钼的晶体结构是六方晶体系结构，在两层位置相同的硫原子密堆积层中，形成许多三方棱柱体孔隙。钼原子就处在由六个硫原子形成的三方棱柱配位体的个数恰为钼原子个数的两倍。 1.2 二硫化钼的多型与润滑 当二硫化钼层片之间平行相叠加构成了二硫化钼晶体，其叠加方式不同，形成多种同质异构体。矿物学里称它为“辉钼矿”。 近年来有人依据对称原理和紧密堆积原理，在七层范围内重叠时，用电子计算机推导出了112种类型。但迄今，自然界里已确定的辉钼矿的类型有两种： 2H(六方晶型)辉钼矿石1923年由Dickinson与Pauling所确定。它系二硫化钼层片接两层相重复的形式叠加。 3R（三方晶型）辉钼矿是1957年由Bell与Herfert发现，它系二硫化钼层片按三层相重叠的形式叠加。 2H与3R型辉钼矿的形成规律与其生成温度有关。二硫化钼晶型与生成温度的关系： 型态 胶体 胶体 晶态3R 晶态2H MoS3 MoS2 MoS2 MoS2 生成温度 ℃ 20~300 200~300 350~900 600~1300 自然界分出的钼矿物质中98%为辉钼矿，而辉钼矿的80%为2H型，仅3%为3R型。其余17%为2H与3R混合型，它们可以通过Xˉ射线衍射图来区别。 3R系亚稳定态，当温度上升到600~1300℃后，它会转化为2H行辉钼矿。 对不同二硫化钼而言，合成多面因声场温度较低，通常为3R型；而天然工艺多面因保持着自然界辉钼矿原料面目，通常为2H型。在应用时，大多数人认为2H比3R型二硫化钼的润滑效果好。反之若无特别标明，所涉及二硫化钼均系2H（六方）晶型辉钼矿。 1.3 二硫化钼分子成键规律与滑移面 在一个MoS2分子中，每个Mo以d3p杂化规道，每个硫，有着六个So、六个P2规道，它们由原子内已成对的孤对电子所占据，为非键规道。它还有十二个由PX、PY电子经杂化而成的PO规道。这样，每个硫原子上都有由孤对电子构成的So与P2规道。当二硫化钼层片平衡叠加时，上一层下部硫面网上的硫原子的孤对电子，恰好伸进了由下一层上部硫面网上三个硫原子孤对电子组成的负电空穴区。由于电子间静电斥力，使其间结合不牢。 以EHMO分子轨道的计算也不难发现结合力的差距：石墨层内两相邻碳原子间重叠据数Nrs=0.9891；而层间两相邻碳原子间重叠集居数Nrs=0.0041；两者相差数千倍！所以，层内碳原子间易键合，键合力很强；层间碳原子间难键合，键合力很弱。 对于二硫化钼进行计算，其层间硫原子间重叠集居数Nrs=-0.026，比石墨还低很多。所以，层间硫原子更难键合，键合力更弱，更易滑动。实际应用时，真空里的二硫化钼比石墨润滑效果好得多，这就很容易解释了。 而六方氮化硼层间的硼原子与氮原子间的重叠集居数Nrs=0.0111，比石墨和二硫化钼的高，因而，它润滑作用也自然比不上石墨和二硫化钼。 1.4 二硫化钼力学各向异性与滑移面 二硫化钼在外力作用下粉碎将分出七种不同的破裂面：[001] [100] [101] [103] [104] [105] [112]。 [001]破裂面垂直于晶系C轴，它是两层MoS2之间相邻两个分子间断裂、形成与层片方向平行的解理面。该面上裸露出平整的、同一面网硫原子。它属非报性表面，Hoover将它称作“表面”或简称作“面”。 [100]及其他五种破裂面均为与二硫化钼层片按不同角度香蕉的解理面，它由层内Mo-S离子键，Mo-Mo金属键、S-S共价键断裂形成。六种断裂面间差异可以反映在面上裸露钼原子与硫原子数比值上。它们为极性面，Hoover将它们统称作“棱面”或简称作“棱”。非极性“面”与极性“棱”间表现出明显的力学各向异性和润滑效果的不同。见表一 表一 “面”与“棱”的力学性质对比 表面能j/M2 显微硬度MPa 摩擦系数 “面”[001] 2.4×10-2 3.136×102 0.1 “棱”[100] 7.0×1