摘要

二硫化鉬不僅在常規環境，而且能在重載荷、高真空或低溫、高速或低速、強輻射等惡劣環境里，充分發揮出低摩擦系數、高磨損壽命和潤滑可靠等優點，而被廣泛應用。

主題詞：二硫化鉬   潤滑特性   抗報壓   真空潤滑

1.二硫化鉬的理化特性：

分子式：MoS2

分子量：160⁰⁸

顏色：蘭-灰到黑色

密度 α/cm³:4.8-5.0(或4.⁸⁵  --5.⁰、4.8)

熔點 ℃：約1500℃（或大于1800℃、1185℃）

硬度：mosh1--1.5（或knnop12--60）

顯微硬度：基礎面3.136×10²Mpa，棱面 8.82×10³Mpa

表面能：基礎面2.4×10^-2J/M²，棱面7.0× 10^-1J/M²

熱脹系數：10^-7×10^-6/K

溫度穩定性：空氣中-184~400℃（或-180℃~400℃ 400℃、399℃、450℃）。真空或惰性氣體中，大于1100℃（或1200℃、1800℃）

摩擦系數：約0.⁰⁵--6.¹⁰（或0.⁰⁴，沒有氣體吸附層時為0.⁰³--0.⁰⁶）

承載能力，大于2.8×10³Mpa(或大于3.45×10³Mpa)。

化學穩定性：

氧化：干燥空氣中，從417℃（750F）（或370℃、400℃、399℃、350℃、450℃）開始氧化后。560℃后（或540℃）劇烈氧化。潮濕空氣中，室溫即發現有氧化，但很微弱，在濕度與酸值都很高時，氧化才變得明顯。氧化產物為MoO3與So2，氧化系放熱反應H=-266.7kcal/mol。

分解：真空或惰性氣體里，1100℃（或1200℃、真空982~1093℃、氬氣中1350~1472℃）后開始分解。分解產物為Mo與S。

能耐除王水，熱而濃的鹽酸、硫酸、硝酸外的任何酸，在氟、氯中可分解，但在無水HF中不分解，能與液氧相容。

能腐蝕堿金屬（如Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等）。

在水、石油制品和各種合成潤滑劑中不溶解，能按任意比例混合使用。

2、二硫化鉬與載荷

工件表面微觀是不平整的，一旦彼此間發生滑動，真是接觸僅局限于一些很小的高點上。用電阻法或其他方法估測，真實接觸面還不到表觀面積的萬分之一。因而，即使施以很小載荷，接觸點局部壓強也會很大，載荷加大，會因壓強過大而升溫，甚至熔化。潤滑目的即在于防止工件間直接接觸。

油脂潤滑時，當載荷過大，潤滑膜會被“壓破”或溫度上升潤滑油流失，這將導致潤滑膜破裂，工建直接接觸而發生黏著（熔合）磨損。

用二硫化潤滑，當載荷上升時，潤滑效果非旦不下降，還會提高。即使超過了鋼鐵屈服壓強的重載荷3.45×10³Mpa下，潤滑依舊。

2.1 二硫化鉬良好抗報壓潤滑作用

Milne在多種條件下，對多種二硫化鉬潤滑膜作了深入研究，當載荷有0.09Mpa上升至4.3Mpa時，摩擦系數卻由0.1~0.5下降至0.02~0.05或更低。Bielak等人測定，二硫化鉬在2.4×10³Mpa下，摩擦系數僅0.025。

Boyn和Rober等人在大氣，室溫里，對比多種潤滑材料在2.8×10³Mpa重載荷下的摩擦系數，發現二硫化鉬比其他潤滑材料摩擦系數都要低。

西村元在對比二硫化鉬、鋁、聚四氟乙烯等涂層的磨損過程后發現，無論在哪種氣氛下，二硫化鉬的磨損都非常少，摩擦系數也最低。

漢沽石油化學廠用四球機測定，當鋰基脂中添加3%的MoS2后，PB值由40kg上升到66kg以上。

重載荷下，二硫化鉬不僅具有很高的穩定性，極低的摩擦系數，還具有很高的磨損壽命。

Magie測定二硫化鉬在2.4×10²Mpa下，磨損壽命（往復周期）達13萬次，二硫化鉬復合油脂可達159萬次，二硫化鉬樹脂黏結膜可達986萬次。Stupp亦對比了幾種常用固體潤滑材料的磨損壽命，氮化硼360次。磨損壽命依然數二硫化鉬最高。

高穩定性，低摩擦系數，高磨損壽命，使二硫化鉬成為最佳“抗報壓”潤滑材料。

2.2 二硫化鉬抗報壓機理探討

Barrg、Binkelman發現，只有當環境中濕度較大時，才出現載荷加大，二硫化鉬摩擦系數下降的現象。濕度較低，起始摩擦系數就很低，隨著載荷上升而下降的趨勢就變得不甚明顯。

Karpe、Gansheimer、Solomon等人指出：隨載荷加大，二硫化鉬吸附水蒸氣層減少甚至消失，其摩擦系數亦下降，更接近無吸附的最低點。

3、二硫化鉬與真空

真空，尤其真空高溫環境中，二硫化鉬顯示出比它在大氣中更優良的潤滑效果，使它在六十年代勃起的宇宙航行中嶄露頭角。

3.1 油脂和石墨對真空潤滑的局限性

潤滑油脂的基礎油是用減壓升溫蒸餾法生產的。所以，它在真空，尤其真空高溫環境下，它會因汽水逸失而變質。而且，油蒸汽還會污染儀表和宇航器極有限的空間。

潤滑油允許的極限蒸發率為10^-7g/cm²。

真空中，石墨雖無數蒸發之慮。但石墨的潤滑，滑動主要發生在晶體間的蒸汽吸附層內，真空使它失去了賴以滑動的蒸汽，摩擦系數也猛升到0.⁸⁰。

顯然，油脂或石墨都不適宜真空潤滑。

3.2 二硫化鉬良好的真空穩定性

真空中，二硫化鉬既不會蒸發，亦不會因失去蒸汽而潤滑惡化。真空中二硫化鉬變質的原因為“熱分解”。

能使二硫化鉬熱分解的溫度很高，真空里為982~1093℃，惰性氣體中為1350~1470℃。低于該溫度，二硫化鉬是相當穩定的。

3.3 二硫化鉬良好的真空潤滑性

與石墨相反，真空中的二硫化鉬，其摩擦系數明顯下降。

表一 石墨與二硫化鉬潤滑特性對比表

顯然，真空里的二硫化鉬不僅溫度適應范圍大，而且很穩定，低于800℃時，摩擦系數不隨溫度升高而提高，高于1000℃后，摩擦系數才開始隨溫度升高而舉證，潤滑開始劣于石墨。

Brewel測出在10^-9Pa高真空里的二硫化鉬摩擦涂膜潤滑的滾動軸承，摩擦系數僅0.0016；而10^-6Pa、3000r/min、2kg負荷下，二硫化鉬濺射膜潤滑的軸承，工作壽命已超過1500時。

3.4 二硫化鉬真空潤滑機理探討

二硫化鉬的潤滑與它顯微變化一致：Flom在光學顯微鏡下觀測到，二硫化鉬在真空中的劈開面光滑，在大氣中的劈開面不光滑，津合裕子用電鏡發現，摩擦都會使二硫化鉬晶體微觀晶化，而真空中微晶化程度遠比大氣中低得多。不難理解，真空中二硫化鉬潤滑比大氣中時好得多。

再深入探討，許多學者將這些現象又歸結到濕度的影響，氣壓境地，二硫化鉬表面水蒸氣吸附層減少甚至消失，水蒸氣對潤滑干擾隨之降低或消失，真空潤滑效果自然會提高。

4. 二硫化鉬與環境溫度

環境溫度對潤滑劑穩定性和潤滑效果影響很大。真空中溫度影響前已做了闡述，下邊主要講大氣中溫度的影響。

4.1 油脂對潤滑溫度的局限性

太低的溫度會使油脂凍結。而高溫下潤滑油會因蒸發、氧化、極性變化而變質，潤滑脂亦會因凝縮分油而變質。

事實上，在遠高于凍結溫度或遠低于變質溫度之前，溫度已通過粘度變化干擾到油脂的潤滑效果。溫度下降，油脂黏度上升而變得粘稠；溫度上升，油脂黏度下降而變得稀薄。

當溫度升高到稀薄的油脂無法保持完整的潤滑膜；或者，當溫度下降到粘稠的油脂無法形成連續的潤滑膜時，都將使潤滑失敗。

常規里，潤滑油允許使用的溫度上限，應低于他閃點20-30℃，溫度下限應高于它凝點約5-10℃。實用中，用于-45℃（高級冷凍機油）到250℃（高級航空硅油）間。潤滑脂低溫范圍很嚴，更易凝固，溫度上限應低于其滴點20-30℃。實用中，鈣基脂≤80℃、鋇基脂≤120℃、鋰基脂≤120℃。在高于上限或低于下限的溫度范圍里，油脂將無法正常潤滑。

4.2 二硫化鉬良好的溫度穩定性

二硫化鉬無汽水、黏度之慮。溫度對它的干擾僅體現在熱分解與氧化上。熱分解溫度比氧化溫度高。大氣中，不待熱分解已氧化完了。所以，大氣中以氧化為主，真空中也以熱分解為主。

低溫只能延緩二硫化鉬的氧氣，所以，它的低溫穩定性很好。即使 -184℃仍潤滑自如。

大氣中，二硫化鉬隨溫度上升，氧化加劇，它受溫度和空氣流量變化影響很大。

干燥空氣中，二硫化鉬在400℃以下是比較穩定的。400℃開始氧化，540℃后氧化加劇。對濕度、酸度較高的環境，起始氧化溫度要低的多。但是，輕微的氧化對二硫化鉬潤滑的影響并不大。

4.3 二硫化鉬良好高溫潤滑作用

大氣中，二硫化鉬的摩擦系數與溫度，摩擦時間的關系。顯然，實踐證明，加二硫化鉬后的摩擦系數遠比沒潤滑劑的干摩擦好得多。當溫度低于350℃時，二硫化鉬的摩擦系數隨溫度升溫而下降，或隨摩擦時間延長而下降，潤滑更有效。當溫度高于350℃后，摩擦系數隨溫升和時間延長而上升，潤滑開始惡化；溫度高于400℃，該變化明顯；溫度高于540℃后，變化顯著，潤滑明顯惡化。

Lancaster也指出，二硫化鉬與石墨不同，在溫度不太高時，潤滑幾乎不隨摩擦時間的延長而變化。

5、 二硫化鉬與速度

在很低速度或設備啟動時，潤滑油脂出現“黏滑”與“冷焊”。Stribeck曲線和相應方程看出：當滑動速度ω→0時，摩擦系數μ顯著升高。（k－軸承參數，n－黏度，p－載荷），軸承處于混合摩擦狀態出現磨損。速度ω過高，摩擦系數也開始上升，直至超出工作范圍上限。

二硫化鉬對超低或特別高速干擾不明顯，適應性很強。各種二硫化鉬膜對應速度變化，摩擦系數互不同，但低速（ω→0）時的值不太高，而高速（30~40m/s）時值很低，使二硫化鉬對速度適應范圍大大拓展開來。

另外，已形成的二硫化鉬膜，其磨損壽命很高，對低速和高速環境工作的可靠性良好。這是油脂潤滑無法比擬的。

6 二硫化鉬與幅照

幅照之下，潤滑油脂會變質，粘度指數和酸值也將發生變化。這與放射線使其不飽和鍵或極性鍵交聯、氧化有關。岡野測定了不同機油耐幅照能力。使其黏度或酸值變化25%所需的放射量分別為：聚苯5000×10⁶rad，礦油或甲苯硅油100×10⁶rad，烷基雙酯油50×10⁶rad，烷基硅油或烯烴5×10⁶rad。他發現，隨輻射量的增加，磨損也明顯增加。

強幅照下，二硫化鉬表現出遠比潤滑油高得多的穩定性。在7×10⁸R（1.8×10⁵c/kg）照輻射前后，二硫化鉬的摩擦與磨損并無明顯變化。

表二 幅照對MoS2潤滑的影響

甚至摩擦系數遠比幅照前低。

對于照輻射狀態的原子反應堆，要求維修周期長、潤滑可靠。因而常選用二硫化鉬作潤滑。比如：英國“龍”高溫氣冷核反應堆的轉動密閉在充氮干套管中，其軸承噴繪二硫化鉬后，摩擦系數保持唉0.0013，磨損也很小，西德AVR高溫球床核反應堆。美國高溫氣核反應堆的轉動機械也都采用二硫化鉬對軸承進行可靠的潤滑。

二硫化鉬以其良好的潤滑特性，從六十年代以來，發展迅猛，一直雄踞“固體潤滑之王”而被普遍應用。