二硫化钼的性能与应用

发布日期:2020/12/15 15:58:51

二硫化钼（或moly）是由钼和硫组成的无机化合物。其化学式为MoS₂。该化合物被归类为过渡金属二硫化合物。它是一种银黑色固体，以矿物辉钼矿的形式存在，辉钼矿是钼的主要矿石。MoS₂相对不活跃。它不受稀酸和氧的影响。在外观和感觉上，二硫化钼类似于石墨。因其低摩擦和稳健性，它被广泛用作干润滑剂。大部分MoS₂是一种类似于硅的抗磁性的间接带隙半导体，带隙为1.23 eV。

生产

二硫化钼天然存在于辉钼矿、结晶矿物或胶硫钼矿中——一种稀有的低温辉钼矿。辉钼矿通过浮选处理得到相对纯净的二硫化钼。主要污染物是碳。MoS2也可通过用硫化氢或元素硫对几乎所有钼化合物进行热处理而产生，并可通过五氯化钼的复分解反应产生。

结构和物理性能

晶相

所有形式的MoS2具有层状结构，其中钼原子平面被硫离子平面夹在中间。这三层形成一个单层二硫化钼。块状二硫化钼由堆叠的单层组成，它们通过弱范德华相互作用连接在一起。

二硫化钼结晶在自然界中以两相形态存在，2H-MoS2和3R-MoS2其中“H”和“R”分别表示六方和菱形对称。在这两种结构中，每个钼原子都存在于三棱柱配位球的中心，并共价结合到六个硫化物离子上。每个硫原子具有金字塔形配位，并与三个钼原子键合。2H相和3R相都是半导体。

第三种亚稳态晶相，称为1T-MoS2是通过嵌入碱金属到2H-MoS2而发现的。该相具有四方对称性，并且呈现金属性。1T相可以通过掺杂电子给体如铼来稳定，或者通过微波辐射转换回2H相位。

同素异形体

众所周知MoS2分子有纳米管样和布基球样。

机械性能

二硫化钼由于其层状结构和低摩擦系数，作为润滑材料表现优异。当剪切应力施加到材料上时，层间滑动耗散能量。在不同的环境中已经进行了大量的工作来表征二硫化钼的摩擦系数和剪切强度。二硫化钼的剪切强度随着摩擦系数的增加而增加。这种特性被称为超级润滑性。在环境条件下，二硫化钼的摩擦系数确定为0.150，相应的估计剪切强度为56.0兆帕。直接测量剪切强度的方法表明，该值接近25.3兆帕。

通过用铬来掺杂二硫化钼可以增加二硫化钼在润滑应用中的耐磨性。掺铬二硫化钼纳米柱的微压痕实验发现，屈服强度从纯二硫化钼（铬含量0%）的平均821兆帕增加至（铬含量50%）的1017兆帕。屈服强度的增加伴随着材料失效模式的改变。虽然纯二硫化钼纳米柱通过塑性弯曲机制失效，但伴随着材料中掺杂剂量增加，脆性断裂模式变得明显。

在二硫化钼中，已经仔细研究了广泛使用的微机械剥离方法，了解从单层到多层薄片分层的机理。发现切割的确切机制是层依赖的。薄于5层的薄片经历均匀弯曲和波纹，而大约10层厚的薄片通过层间滑动分层。超过20层的薄片在微机械解理过程中表现出扭结机制。由于范德华键的性质，这些薄片的分裂也被确定为可逆的。

化学反应

二硫化钼在空气中是稳定的，只能被侵蚀性试剂侵蚀。加热时与氧气发生反应，形成三氧化钼:

2 MoS2+ 7 O2→ 2 MoO3+ 4 SO2

氯气在高温下与二硫化钼反应，形成五氯化钼:

2 MoS2+ 7 Cl2→ 2 MoCl5+ 2 S2Cl2

应用

润滑剂

由于硫化物原子片之间的弱范德华相互作用，MoS2具有低的摩擦系数。MoS2粒度在1-100µm范围内是一种常见的干润滑剂。很少有替代品能在高达350℃时的氧化环境中提供高润滑性和稳定性。对二硫化钼的滑动摩擦试验使用圆盘测试仪上的引脚在低载荷(0.1-2N)下进行，摩擦系数小于0.1。

MoS2通常是需要低摩擦的共混物和复合物的组分。例如，它被添加到石墨中以改善粘附性。使用各种各样的油和润滑脂，因为即使在几乎完全失油的情况下，它们仍保持润滑性，因此在诸如飞机发动机的关键应用中找到用途。添加到塑料中时，MoS2形成强度提高且摩擦减少的复合材料。聚合物填充有MoS2的应用包括尼龙 ( 商品名尼龙)、特氟隆和维斯佩尔（Vespel）。用于高温应用的自润滑复合涂层由二硫化钼和氮化钛组成，使用化学气相沉积。

基于MoS2润滑的应用实例包括两冲程引擎(如摩托车发动机)、自行车杯垫制动器、汽车 CV 和万向节、滑雪蜡和子弹。