二硫化钨（WS₂）的热稳定性极佳，是其作为高温润滑剂的重要优势。它能在空气中稳定至约510°C，高于此温度会氧化为三氧化钨（WO₃）和二氧化硫（SO₂）。在惰性气氛（如氩气或氮气）中，稳定性更高，可达1250-1300°C，此时分解为钨和硫蒸气。
其层状结构——层内强共价W-S键和层间弱范德瓦尔斯力——赋予其抗热分解能力。在空气中，氧化反应（WS₂ + 7/2 O₂ → WO₃ + 2 SO₂）是限制因素，400°C以下缓慢，510°C以上加速。在真空或惰性条件下，无氧化威胁，热分解需更高能量断裂W-S键。热重分析（TGA）显示，在惰性气氛中质量至1200°C稳定，之后迅速分解。
与MoS₂（空气中350-400°C氧化）相比，WS₂更耐热，适合航空航天等极端环境。高温下，其低摩擦特性在空气中510°C前、惰性条件下1250°C前保持稳定，优于有机润滑剂（200-300°C分解）。但空气中长时间高温会导致氧化，丧失润滑性，需保护措施。
热稳定性使其在薄膜、涂层中表现出色，承受机械热应力，广泛用于引擎部件或空间技术。
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