綠色磨潤多?能複合薄膜材料製備及磨潤特性研究

Abstract

為提升綠色磨潤材料，hydroxypropyl methylcellulose (HPMC)/ molybdenum disulfide (MoS2)複合塗層的抗磨耗效果，本研究將奈米尺度的金屬及金屬氧化物顆粒添加入HPMC/MoS2複合溶液中，並以微管滴定與溶液蒸發法，製備HPMC/MoS2/奈米顆粒複合塗層。透過對奈米複合塗層的成份與結構和磨耗試驗的分析，討論複合塗層的磨潤性質與磨耗機制。 在本研究中透過掃描式電子顯微鏡對奈米複合塗層的表面形貌與組織結構、磨耗試驗後的磨痕形貌進行觀測以及對複合塗層的鍍膜厚度進行量測，並使用X-射線繞射分析儀分析複合塗層中二硫化鉬及奈米顆粒的晶體結構與晶面方向，使用磨耗試驗機進行摩擦係數鑑定並搭配三維鐳射共聚焦顯微鏡以及運用三體理論的概念對複合塗層進行磨潤性質及磨耗機制的分析。 受益於HPMC的分散效果，奈米顆粒與二硫化鉬微米顆粒能夠均勻的分佈於複合塗層中，並藉由奈米顆粒高表面積對體積比的特點，在添加量少的情況下，奈米顆粒將曝露且密布於複合塗層表面，使得聚合物表面的尖峰與低谷，呈現較大的起伏，促使表面粗糙度的提高，且由於體積密度較低，使得複合塗層的厚度會隨著顆粒含量的不同而變化，在本實驗中的複合塗層亦不受基板效應的影響，適中的厚度能夠避免鉻鋼球與玻璃基板的相互作用，隨著奈米顆粒的加入，複合塗層硬度的提升，使複合塗層具備更佳的承受負載能力。 實驗結果顯示，添加入奈米顆粒後，能夠大幅度的降低摩擦係數及減少複合塗層的磨耗量。奈米顆粒在磨耗過程中以優良的三體形態存在於磨痕軌跡中，協調兩摩擦物體之間的速度差異，並具有轉移負載的能力，當顆粒被推出磨耗軌跡後，複合塗層表面間作用力增強，會導致再次產生第三體顆粒，顆粒磨耗作用在摩擦過程中不斷發生，能有效抵抗鉻鋼球的應力作用。 以三體理論的觀點，不同的界面層間可能發生四種不同的速度協調模式，當奈米金屬顆粒添加入複合塗層後，在複合塗層S5層面展現出細小碎屑顆粒凝聚後形成第一體層所誘發的M3剪切滑移及顆粒滾動聚集成球狀或棒狀在磨耗中以M4的模式，來協調界面層間速度梯度的差異，更值得關注的時，金屬氧化物複合塗層展現的又是不一樣的磨耗機制，作為高硬度的陶瓷類顆粒，複合塗層不易受剪切作用影響，而是複合塗層的部分S5層面具有M2模式的破裂行為，不同的速度協調模式將在本研究中得以觀察並分析之。 在本實驗概念中，不僅只是討論奈米顆粒添加入複合塗層後的效果，亦探討二硫化鉬的流動作用，二硫化鉬的剪切分層作用及其優良的潤濕性是促使轉移層形成的關鍵因素，二硫化鉬分層後，碎屑會再凝聚的流動性質使其能夠與複合塗層上的碎屑凝聚形成厚實的第三體層，在磨耗過程中與轉移層進行摩擦作用時，達到自潤滑的效果。 總體來說，本實驗在達到降低摩擦和磨耗的同時，亦關注於奈米顆粒及二硫化鉬在磨耗過程中所扮演的角色，以實驗所觀測到的資訊及固有的理論知識，對磨耗行判斷，並提出合理的磨耗機制。

Date of Award	2018 Feb 12
Original language	Chinese
Supervisor	Shih-Chen Shi (Supervisor)