A molecular dynamics study on the tribological behavior of molybdenum disulfide with grain boundary defects during scrat

  • PDF / 9,534,192 Bytes
  • 15 Pages / 582.68 x 799.737 pts Page_size
  • 51 Downloads / 190 Views

DOWNLOAD

REPORT


ISSN 2223-7690 CN 10-1237/TH

RESEARCH ARTICLE

A molecular dynamics study on the tribological behavior of molybdenum disulfide with grain boundary defects during scratching processes   Boyu WEI1, Ning KONG1,*, Jie ZHANG1, Hongbo LI1, Zhenjun HONG1, Hongtao ZHU2, Yuan ZHUANG3, Bo WANG3 1

School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

2

School of Mechanical, Materials & Mechatronics Engineering, University of Wollongong, Wollongong, NSW 2522, Australia

3

Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China

Received: 14 June 2020 / Revised: 26 August 2020 / Accepted: 28 September 2020

© The author(s) 2020. Abstract:  The  effect  of  grain  boundary  (GB)  defects  on  the  tribological  properties  of  MoS2  has  been  investigated by molecular dynamics (MD) simulations. The GB defects‐containing MoS2 during scratching  process  shows  a  lower  critical  breaking  load  than  that  of  indentation  process,  owing  to  the  combined  effect of pushing and interlocking actions between the tip and MoS 2 atoms. The wear resistance of MoS2  with  GB  defects  is  relevant  to  the  misorientation  angle  due  to  the  accumulation  of  long  MoS  bonds  around the GBs. Weakening the adhesion strength between the MoS 2 and substrate is an efficient way to  improve the wear resistance of MoS 2 with low‐angle GBs.    Keywords: MoS2; grain boundary; tribological behavior; molecular dynamics; misorientation angle     

1    Introduction  In  recent  years,  two‐dimensional  (2D)  transition  metal dichalcogenides (TMDCs) have caused great  attentions  due  to  their  excellent  physical,  mechanical  and  tribology  properties  [1−5].  As  a  representative  of  TMDCs,  MoS2  has  a  layered  hexagonal  crystal  structure,  which  consists  of  one  metal  Mo  layer  and  two  S  layers  [6].  Due  to  its  strong  covalent  bonding  in  molecular  layer  [7],  single‐layer  MoS2  (SL‐MoS2)  shows  extraordinary  mechanical  properties,  such  as  the  high  effective  in‐plane  Young’s  modulus  [6,  8]  and  low  bending  modulus [9]. The weak van der Waals interactions  in  the  interlayer  of  MoS2  make  shear  more  easily,  which  is  the  main  reason  for  the  low  friction  of  MoS 2  [10−12].  Base  on  the  excellent  mechanical  and tribological properties, MoS2 is commonly used 

as  solid  lubricant  [13]  and  wear  resistant  coating  [14],  and  is  utilized  as  an  additive  in  lubricating  oils [13]. Due to the monolayer thickness, SL‐MoS 2  and  thin  film  MoS2  present  a  number  of  potential  applications  to  serve  as  lubricant  materials  in  microelectromechanical  systems  (MEMS)  [10,  11].  Under  specific  conditions,  SL‐MoS2  and  thin  film  MoS2 even show a lower friction than graphene [15,  16].  Moreover,  the  super‐lubricity  phenomena  are  observed  in  MoS2–MoS2  [17]  and  MoS2–Sb  [18]  contacts as well.  SL‐MoS2  with  high‐quality  and  large‐area  is  required  to  achieve  the  applicati