二硫化钨的硬度是多少?

二硫化钨(WS₂)的硬度较低,是其作为固体润滑剂的重要特性之一。具体而言,其维氏硬度(Vickers Hardness, HV)通常在20-30之间,这一数值通过微小负载(例如10-50 g)的维氏硬度测试获得。由于WS₂具有六方层状结构,层内由强共价键连接钨和硫原子,而层间仅靠弱范德瓦尔斯力维系,这种结构使其在受力时易发生层间滑动,导致整体硬度偏低。这一特性与二硫化钼(MoS₂,HV约20-25)相似,但远低于金属(如钢,HV约200)或陶瓷(如氧化铝,HV约1500)。

WS₂的硬度因形态和制备方式有所差异。例如,块体WS₂的硬度接近上述范围,而纳米结构(如富勒烯状WS₂颗粒)由于曲率增强,可能达到50 HV。纳米压痕测试显示,WS₂薄膜的杨氏模量约为10-20 GPa,表明其在微观尺度下仍具柔软性。合成方法也影响硬度:水热法合成的WS₂可能因缺陷或孔隙率较高而硬度稍低,而经过高温退火的样品晶体更完善,硬度略有提升。

温度对硬度的影响在空气中510°C以下较小,因WS₂保持固态结构稳定;但若超过510°C氧化为三氧化钨(WO₃),硬度会显著升至约500 HV,性质完全改变。相比钨金属(HV约400),WS₂的低硬度反映了硫原子的引入降低了材料的刚性,但这正是其润滑性能的基础——软性使其能填充表面微小缺陷,减少摩擦。

在应用中,低硬度限制了WS₂作为独立结构材料的使用,但使其在润滑剂、涂层或复合材料中表现出色。通常需搭配硬质基材(如钢)以提供支撑。硬度测试需注意避免基材效应,尤其在薄膜样品中,确保结果反映WS₂本身特性。

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