高分子固体润滑耐磨涂层研究进展_乔红斌
聚酰亚胺粘结MoS2基固体润滑涂层在油介质中的摩擦学性能
写一篇聚酰亚胺粘结MoS2基固体润滑涂层在油介质中的摩擦
学性能的报告，600字
本文研究了聚酰亚胺粘结MoS2基固体润滑涂层在油介质中的摩擦学性能。
与传统的金属润滑剂相比，MoS2有着良好的自
润滑性，能够有效抵抗磨损，是一种理想的润滑剂。
首先，我们使用固定条件对不同厚度的MoS2基固体润滑涂层进行滑动试验，包括1μm、3μm和5μm。
然后，将这些涂层在正常温
度下用油介质润滑后，采用摩擦力测试仪来测试它们的摩擦学性能。
摩擦力测试结果显示，随着涂层厚度的增加，MoS2基固体润
滑涂层的摩擦系数降低。
其中，1μm涂层的摩擦系数为0.27，3μm的为0.23，而5μm的摩擦系数更低，只有0.19。
这些结
果表明，MoS2基固体润滑涂层的厚度越大，在油介质中的摩
擦力就越小。
继而，厚度越大的涂层的摩擦系数越小，且其耐磨性能也越强。
综上所述，通过研究聚酰亚胺粘结MoS2基固体润滑涂层在油介质中的摩擦学性能，可以得出以下结论：1.随着涂层厚度的
增加，MoS2基固体润滑涂层的摩擦系数明显降低；2.厚度越
大的涂层，其耐磨性能也越强。
希望以上研究可以为未来研究同类油基润滑剂提供参考。
高强化柴油机活塞裙部固体润滑剂涂层的抗摩擦性能评价
高强化柴油机活塞裙部固体润滑剂涂层的抗摩擦性能评价ʌ俄ɔK.V.G A V R I L O V A.V.M O R O Z O V M.V.S E L E Z N E V Y.V.R O Z H D E S T V E N S K I IN.A.K H O Z E N I U K A.A.D O I K I N V.S.H U D Y A K O V摘要:比较了固体润滑涂层在高强化内燃机活塞裙-缸套耦合中降低摩擦和提高抗拉伤的耐摩擦性能㊂以高纯硫化钼和石墨为基础的聚合物粘结剂制成的各种改性涂层沉积于零件表面,并以石墨基涂层作为参考样品,成功地应用于重型车辆柴油机的钢活塞上㊂该研究在摩擦温度为110ħ㊁正常负荷为50~450N㊁往复频率为20.0H z的条件下进行,这与柴油机摩擦电偶的运行条件相似㊂分析结果表明,沉积的所有涂层显著降低了摩擦系数,在同时含有二硫化钼和石墨的有些涂层,其摩擦系数可降至0.12~0.14,符合在润滑材料存在或不存在直接金属接触的2种摩擦状态下摩擦表面的接触条件㊂关键词:固体润滑涂层;拉伤;磨损;活塞裙部;石墨脂;钼脂0前言研究人员对发动机的摩擦损失进行评估后,发现有高达66%的摩擦损失主要来自于活塞裙部㊁活塞环和轴承,剩余34%的摩擦损失则来自于配气机构和传动[1]㊂值得注意的是,文献[2,3]的试验数据也表明了活塞-缸套和活塞环-缸套所对应的摩擦损失占到了内燃机总摩擦损失的45%~50%㊂因此,当摩擦损失超过这一比例时,需要为发动机提供1种流体动力摩擦模式,并使用降低摩擦的涂层㊂涂层材料可用于降低摩擦系数,从而降低燃料的消耗㊂因此,它们在特定的运行条件下能够避免摩擦表面增加磨损和拉伤,这对发动机的有效运行具有特殊的意义[4]㊂确切地说,涂层材料的这些特性可避免发动机发生因冷起动导致的喷油不足,因缸套的机械或热应变导致的局部间隙缺失,因燃油污染导致的机油润滑能力不足,出现极高的工作温度㊁润滑材料过度氧化等现象㊂在采用高强化柴油机的情况下,活塞会产生高热应变,这是由于特定的工作循环㊁混合摩擦和边界摩擦模式所导致的㊂在这种情况下,活塞裙部的摩擦和磨损过程也增加了多样性[5]㊂因此,增加涂层材料的抗摩擦性能[6-8]和改善活塞表面的初步工艺制备特性,对提升涂层与基体的附着力至关重要㊂基于石墨㊁锡㊁铁㊁磷酸铝[9]等成分,如石墨浸润合成树脂(G r a f a l/E v o G l i d e)涂层㊁锡涂层㊁表面镀铁涂层等,被称为活塞裙涂层㊂G r a f a l/E v o G l i d e涂层的厚度接近20μm,在聚合物基体中掺入有细小的石墨颗粒,并因基体材料粘结剂的成分不同而特性不同㊂需要指出的是,G r a f a l/E v o G l i d e涂层适用于各种类型的内燃机和活塞材料㊂锡涂层和以磷酸铝为基础的涂层,其适用性仅限于由铝合金制成的活塞㊂以磷酸铁为基础的涂层可用于钢和铝活塞,这种涂层可以减少15%~ 30%[10]的摩擦㊂而以石墨和/或二硫化钼为基础的特殊分层固体润滑涂层的沉积也是众所周知的[9-10]㊂在文献[10]中,研究人员提出了1种用于高强化柴油机活塞裙部的聚合物-石墨的复合涂层,并分析了不同牌号机油对该涂层耦合性能的影响状况㊂在文献[6]中,研究人员提出了1种基于石墨的固体润滑涂层,该涂层对减少摩擦㊁保护活塞裙㊁防止活塞环磨损和拉伤等都起到了积极的作用㊂因此,研究人员提出,应更关注于涂层沉积前对摩擦表面的初步制备过程,尤其是磷酸锰涂层,它不仅提高了涂层的附着力,而且还具有改善摩擦表面硬度等特性[7]㊂需要指出的是,大多数内燃机摩擦系统使用的是固体润滑涂层,特别是活塞裙使用的固体润滑涂层是进口的,因此这种固体润滑涂层及其沉积技术与逐步淘汰进口涂层的问题是密切相关的㊂本研究主要通过试验,对用于降低内燃机活塞裙-缸套摩擦磨损且具有抗磨损性的固体润滑涂层的抗摩擦性能进行研究㊂本文仅针对基于各种聚合物粘结剂622021 NO.4汽车与新动力63汽车与新动力与固体润滑抗磨填充物组合生成的涂层的效果进行评估,并进一步对涂层研究的合理性进行评价,其目的在于调查涂层的磨损寿命㊂表1 试验结果商标和成分试样编号正常负荷F (单位为N )作用下的摩擦系数50150250350450N o .0010基于带聚合物粘合剂的石墨1*0.42ʃ0.090.39ʃ0.07---N o .1007基于带聚酰胺树脂的石墨(32%)20.26ʃ0.030.16ʃ0.040.14ʃ0.050.14ʃ0.030.18ʃ0.043*0.22ʃ0.070.17ʃ0.050.17ʃ0.030.130.12ʃ0.03N o .1003基于带苯酚甲醛的石墨(8%)和二硫化钼(28%)4*0.16ʃ0.030.11ʃ0.010.11ʃ0.010.10ʃ0.020.11ʃ0.02N o .1066基于带聚酰胺-酰亚胺树脂的石墨(3%)和二硫化钼(21%)5*0.13ʃ0.050.12ʃ0.010.11ʃ0.030.12ʃ0.020.11ʃ0.01N o .1006基于带聚酰胺-酰亚胺树脂的石墨(4%)和二硫化钼(26%)6*0.12ʃ0.040.10ʃ0.020.10ʃ0.010.10ʃ0.010.11ʃ0.02N o .0010(与燃油接触)70.140.130.13ʃ0.010.130.12无涂层80.69ʃ0.080.58ʃ0.06---*锰磷涂层的表面制备㊂1 材料和方法本试验选择了基于聚合物粘结剂的固体润滑涂层㊁高纯二硫化钼及石墨等材料进行分析㊂试验发现,所有涂层在活塞裙部表面沉积后,其厚度小于20μm ,这将会在新发动机滑动表面磨合时,以及在冷起动期间出现 缺油 模式时提供刮伤阻力㊂在本文中,涂层是通过带有粘结物质和溶剂的固体润滑材料保持悬浮,并通过阴极真空喷镀的方法来实现沉积的㊂研究人员选择了4组耐磨涂层进行试验,这些涂层由不同粘结剂聚合物和不同组分的混合物组成㊂这4组试样的组分情况分别如下:第1组涂层是基于32%的石墨与聚酰胺-酰亚胺粘合剂固化加热而成(试样编号为1007);第2组涂料是以8%的石墨和28%的二硫化钼为基材,以苯酚甲醛为粘结剂,经高温固化而成(试样编号为1003);第3组涂层是以3%的石墨和21%的二硫化钼为基材,以聚酰胺-酰亚胺为粘结剂,加热固化而成(试件编号为1066);第4组涂层是以4%的石墨和26%的二硫化钼为基材,以聚酰胺-酰亚胺为粘结剂,加热固化而成(试件编号为1006)㊂在涂层固化后,研究人员发现在试样表面形成了1层较薄的组合膜,它可代表粘结剂物质的基体㊂此外,研究人员在基体组织中也发现了含有层状固体润滑材料的高分散颗粒,如石墨和/或二硫化钼㊂所有涂层的工作温度浮动范围可达250ħ㊂国外制造商生产的涂层(涂层编号为0010),因其可广泛用于保护重型车辆柴油机钢活塞裙以防止磨损加剧,所以研究人员也将其作为参考样本㊂研究人员通过F E IQ u a n t a 650型扫描电子显微镜,测定了该涂层的化学成分主要成分是碳,且涂层中不含钼㊂研究所用的涂层0010号试样是在商用柴油发动机钢活塞的裙部通过销钉切割得到的㊂当试验结束后,研究人员为了消除试验涂层,对试样表面进行了喷砂处理,然后再沉积1层固体润滑涂层㊂为了提高耐磨性,研究人员对3~6组试样(表1)的金属表面进行了喷砂磷酸锰涂层处理㊂需要注意的是,涂层的耐磨性主要取决于它们与基材的附着力㊂因此,喷砂处理消除了屏蔽膜和活化表面,但磷酸盐涂层则额外形成了1个多孔的子层,其厚度接近3μm ,从而增强了附着力㊂研究人员在同1台高强化发动机的缸套(材质密度ρ为7000k g/m 3的合金铸铁)上切取材料作为1号涂层试样㊂另外,研究人员在气缸套试样的工作表面进行了珩磨加工㊂根据平板相对于压在其上的固定销试样进行往复运动的运动方案,研究人员在实验室摩擦计上完成了测定摩擦系数的试验(图1)㊂摩擦计的工作原理在文献[5]中有详细介绍㊂测试前,研究人员将试样及板的表面先后置于G a l o s h a 油溶剂㊁乙醇中清洗,然后再将它们置于超声波浴(S a pf i r 2.8)中清洗5m i n ,以消除污染㊂测试中,642021 NO.4汽车与新动力图1 摩擦系数测定的试验研究研究人员发现摩擦电偶并没有磨合,这是因为在磨合成品板表面的固态润滑涂层颗粒对板表面的磨蚀和磨损都发生在磨合阶段㊂为了更接近柴油机的实际工况,了解柴油机在临界工况下的短期边界摩擦模式,本文没有考虑磨合阶段的情况㊂涂层摩擦系数测试试验是在50~450N 的负荷范围内,以100N 为步进,且负荷逐渐增大的状况下进行的㊂摩擦计上的最大负荷对应于高强化柴油机的比负荷临界值㊂研究人员将样件和板安装在摩擦计支架上,用盖子密封热室,并将摩擦副加热至105~115ħ,随后暴露在空气中超过(60ʃ5)m i n,从而确定了这个温度是模拟所研究材料的运行条件㊂由于板的往复频率是恒定值,其频率为20.0H z ,位移幅值为6m m ,研究人员选取了每个加载值的测试时间为5m i n㊂因此,1个带涂层试样的完整测试时间超过25m i n㊂需要注意的是,研究人员之所以选用20.0H z 的频率,是因为摩擦计中配置的张力测量传感器能够可靠地测量出0.1~20.0H z 范围内的板振荡频率下的摩擦力㊂随着反固体位移频率的增加,研究人员发现所记录的摩擦力的实际值会出现边界紧缩㊂研究人员通过试验中记录的法向力㊁磨损固体的处理方式㊁摩擦力㊁路径及声发射等数据,也间接证明了在摩擦副中存在涂层,说明了仪器测量系统的摩擦是相互作用的㊂在本研究中,研究人员对未受涂层保护的试样进行了一系列的试验,并对在有机油浸润的情况下连接器中的摩擦副进行了对比试验㊂第1种测试是通过喷砂去除试样表面的涂层,第2种测试是在板的表面加入2~4m L 粘度为S A E5W 40的机油㊂为了再现真实的工状并得到可靠的结果,研究人员共进行了3次试验㊂2 结果和讨论图2显示了摩擦系数μ对正常负荷F 的典型依赖关系㊂这是在110ħ的温度㊁板的往复频率恒定为20.0H z 的情况下得到的㊂需要注意的是,在连接器有机油存在的情况下,有无涂层的试样的摩擦系数没有变化,因此,图2仅显示了1种使用了润滑材料涂层变体的结果(样品编号为1)㊂图2 摩擦系数与试验时间的关系为了获得可靠的数据,研究人员进行了一系列的试验,每个系列都代表了新制备的样本㊂研究人员还对试验得到的图表进行了统计分析处理,表1和图3给出了所有试样摩擦系数的计算平均值及其变化范围㊂研究人员通过分析摩擦系数μ与正常负荷F 的关系(图3)㊂结果表明,随着负荷的增加,涂层的摩擦系数均减小㊂这是由石墨或二硫化钼的固体润滑涂层所固有的特性决定的㊂在这种情况下,金属基体表面(样品编号为2)上没有磷酸锰涂层将导致耐磨性降低㊂这组试样在350~450N 高负荷作用下的试验表明,试样的摩擦系数不仅会增大,而且研究人员还观测到试样表面涂层出现了快速断裂㊂在试验过程中,研究人员652021 NO.4汽车与新动力图3 摩擦系数与正常负荷的关系收集到了相互作用的材料在接触时产生的声发射数据㊂通过分析试验数据,研究人员得出了有涂层试样的声辐射比无涂层试样少70%的结论,这也说明了摩擦过程是持续的㊂研究人员发现,将二硫化钼引入涂层(试样组分别为1003㊁1066㊁1006)会导致摩擦系数降低(图3),相关文献中的试验已证实了基于二硫化钼的材料具有最高粘附强度,从而使这种效应合理化㊂换言之,随着接触压力的增加,这种涂层可以更有效地减少摩擦,这对内燃机活塞组的缸套来说是1个优势㊂随后,研究人员用聚酰胺-酰亚胺树脂作为粘结剂(1006组试样)与用酚醛树脂作为粘结剂(1003组试样)进行了比对,发现1006组试样涂层的摩擦阻力有一定的提高,具有边际优势㊂为合理提高0010试样涂层的摩擦系数,研究人员用J e o 1J S M -7001扫描电子显微镜在50~5000倍变焦下对试验后的试样表面进行了观测(图4),并用安装在显微镜上的O x f o r d I N C A X -m a x80能量分析仪对涂层进行了X 射线荧光分析㊂光谱仪分析了原子序数为5(B )~92(U )的元素,该系统可实现自动化运行,灵敏度为0.1%,这是测试分析所必需的仪器㊂通过对涂层1试样断面的显微组织分析(图4),研究人员得出以下结论:(1)涂层沉积采用磷酸锰涂层,其厚度接近3μm ;(2)测试后将涂层保留在试样上,其与磷酸锰子层的厚度接近10μm ㊂因此,可以认为摩擦系数的增加与涂层中保留石墨颗粒的聚合物粘结剂的性质有关㊂3 结论为了研究高强化柴油机活塞裙面涂层材料的摩擦和刮伤风险,研究人员对无润滑材料的暴露在短期边图4 用扫描电镜和能量分散分析仪记录的1号样品涂层图界且均匀干摩擦的涂层进行了试验研究㊂研究表明,涂覆有固体润滑涂层试样的摩擦系数比无涂层试样的低,但刮伤风险比无涂层试样的高㊂研究人员在苯酚-酰甲醛粘结剂和聚酰胺-酰亚胺粘结剂的基础上,同时加入石墨和二硫化钼的涂层,可使高强化柴油活塞裙部的摩擦损失降低5倍,并可提高活塞裙部的使用寿命㊂需要注意的是,不添加二硫化钼的涂层具有较大的摩擦系数㊂为了研究活塞-缸套摩擦副的工作情况,研究人员还需要对活塞裙部和缸套的摩擦特性进行一系列额外的试验,以评估其摩擦表面的磨损强度㊂在这种前提下,研究人员应特别注意在各种具有流变特性的机油中存在润滑材料的情况,并且需要研究带有固体润滑涂层的关联试样的运行条件㊂参 考 文 献[1]H O L M B E R G K ,A N D E R S S O NP ,N Y L U N DN O.e t a l .G l o b a l e n -e r g y c o n s u m pt i o nd u e t o f r i c t i o n i n t r u c k s a n db u s e s [J ].T r i b o l I n t ,2014,78:94-114.[2]B A R T Z W J .F u e le c o n o m y i m p r o v e m e n t i ne n g i n ea n d g e a ro i l s [C ].24t h L e e d s -L y o ns y m p o n t r i b o l o g y t r i b o l o g y f o r e n e r g y co n -s e r v a t i o n ,L o n d o n ,1998:13-24.[3]T A Y L O R RI ,C O Y R C .I m p r o v e df u e l e f f i c i e n c y b y lu b r i c a n td e -s i g n :r e v i e w [J ].P r o c .I n s t .M e c h .E n g,P a r t J ,2000,214(1):1-15.[4]Y EZ ,Z HA N GC ,WA N GY ,e t a l .A n 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有机粘结固体润滑膜研究进展
Ｒｅ ｅ ｔＲｅ ｅ ｒ ｈ Ａｄ ａ ｃ ｎ Ｂｏ ｄ ｄ Ｓ ｌｄ Ｌ ｂ ｉａｉｇ Ｏｒ ａ ｉ ａｉ ｇ ｃ ｎ ｓ ａ ｃ ｖ ｎ ｅ ｉ ｎ ｅ ｏｉ ｕ ｒｃ ｔ ｇ ｎ ｃ Ｃｏ ｔｎ ｓ ｎ
文章 编 号 ： ６ １ ７ ７ （ ０ ７ ０ — ３ ９ ０ １ ７ — ８ ２ ２ ０ ）４ ０ ９ — ４
有机粘结 固体润滑膜研究 进展
乔 红斌 ， 田雪梅 （ 安徽 工 业 大学 化 学与 化 工学院， 安徽 马鞍 山 ２ ３ ０ ） ４ ０ ２
摘要： 分析 了有机粘结固体润滑膜 的减摩耐磨主要机理 ， 详细讨论 了环氧与酚醛 环氧、 聚酰亚胺与 聚酰胺酰亚胺 、 聚苯硫醚和聚 酰胺等常用高分子树脂基体 固体润滑膜的摩擦学特性及其性 能， 展望了高分子固体润滑膜的发展趋势 和研究方向。 关键词 ： 摩擦 ； ； 树脂 粘结 ； 耐磨 ； 固体润滑膜
有机粘结 固体润滑膜 ， 采用粘结剂类型的高分子树脂作载体 ， 将一种或多种 固体润滑剂粘附于摩擦部件 表 面 ， 目前 品种最 多 、 用最 广 的一类 固体 润滑膜 。 的粘结 固体润滑 膜 还具有 优 异 的耐 候 、 老化 性能 和 是 应 有 耐 涂覆工艺性 ， 能同时满足防锈 、 防腐等技术要求。 有机粘结固体润滑膜作用机理主要在于以下几点：①隔离摩擦副表面之间直接接触的涂膜摩擦阻尼较 小； ②在对磨金属表面形成 的转移膜 隔离摩擦表面问直接接触并降低摩擦阻尼 ； ③涂膜易于塑性变形与对磨
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｈ ｏ ｉ ｕ ｒｃ ｔ ｇ ａ ｄ ｗｅ ｒ ｒ ｓｓ ｎ ｃ ａ ｉ ｆ ｈ ｏ ｄ ｄ ｓ ｌ ｕ ｒｃ ｎ ｒ ａ ｉ ｏ ｔ ｇ ｒ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｓ ｌ ｌ ｂ ｉ ａｉ ｎ ａ ｅ ｉ ａ ｔｍｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｅ ｂ ｎ ｅ ｏ ｉ ｌ ｂ ｉａ ｔ ｇ ｎ ｃ ｃ ａ ｉ ｓ ａｅ ｄ ｎ ｔ ｍｓ ｔ ｄ ｏ ｎ
高固体分涂料的耐磨性能研究
高固体分涂料的耐磨性能研究摘要：本文旨在研究高固体分涂料的耐磨性能，并探讨其在不同环境条件下的应用潜力。
通过实验和测试了解高固体分涂料的性能，分析其耐磨性与不同添加剂的关系。
研究表明，高固体分涂料具备较好的耐磨性能，并且可以通过添加特定添加剂来增强其耐磨性能。
因此，高固体分涂料在工业领域具有广阔的应用前景。
1. 引言随着工业和建筑领域的不断发展，对涂料的性能和品质要求越来越高。
高固体分涂料由于其高固体分含量和优异的性能，逐渐成为涂料行业的研究热点之一。
其中，涂料的耐磨性是衡量其质量的重要指标之一。
本文旨在研究高固体分涂料的耐磨性能，并探讨其应用潜力。
2. 实验设计与方法2.1 实验材料本实验选用了多种高固体分涂料样品，其中包括不同品牌和配方的高固体分涂料。
此外，还使用了具备不同性能的添加剂进行对比研究。
2.2 实验方法将不同涂料样品均匀涂刷在试验板上，并按照标准化要求对其进行固化处理。
随后，采用落球法或刮板法等常用的测试方法，以评估涂料的耐磨性能。
3. 实验结果与分析经过一系列实验和测试，我们得到了各个高固体分涂料样品的耐磨性能数据。
结果显示，高固体分涂料相比传统涂料具有更好的耐磨性能。
在相同环境条件下，高固体分涂料表现出较低的磨损和划痕程度。
通过进一步分析，我们发现不同添加剂对高固体分涂料的耐磨性能有着显著的影响。
例如，添加特定的润滑剂可以减少涂料表面的磨损，提高其耐磨性能。
另外，改变涂料的配方和固化方式，也可以进一步增强其耐磨性能。
4. 应用潜力与展望高固体分涂料凭借其优异的耐磨性能，在工业领域具有广阔的应用前景。
其适用于船舶、汽车、桥梁、建筑等领域，可以有效保护物体表面，延长使用寿命。
特别是在恶劣的环境条件下，高固体分涂料的耐磨性能优势更加明显。
此外，高固体分涂料不仅可以提高物体的抗磨性能，还具备耐化学品腐蚀和耐水性能。
这使得高固体分涂料成为一种多功能的涂料材料，具有广泛的应用潜力。
然而，需要注意的是，高固体分涂料的施工难度相对较高，需要专业的技术人员进行操作。
金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展
第47卷第5期燕山大学学报Vol.47No.52023年9月Journal of Yanshan UniversitySept.2023㊀㊀文章编号:1007-791X (2023)05-0398-13金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展邹㊀芹1,2,王㊀鹏1,徐江波1,李艳国2,∗(1.燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北秦皇岛066004)㊀㊀收稿日期:2022-05-25㊀㊀㊀责任编辑:唐学庆基金项目:丹凤朝阳人才支持计划(丹人才办[2019]3号);河北省高等学校科学研究重点项目(ZD2021099)㊀㊀作者简介:邹芹(1978-),女,安徽淮北人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为超硬及特种陶瓷材料㊁摩擦磨损;∗通信作者:李艳国(1978-),男,河北唐山人,博士,副研究员,主要研究方向为金属基复合材料,Email:lyg@㊂摘㊀要:固体润滑剂在金属基自润滑复合材料中的应用正在迅速增加,特别是在极端环境(高温㊁高负载等)条件下工作的耐磨材料㊂目前,金属基自润滑复合材料中常使用的固体润滑剂主要有无机层状固体润滑剂㊁金属及其化合物㊁MAX 金属陶瓷㊁有机物固体润滑剂㊁碳纳米材料固体润滑剂㊁多元复合固体润滑剂等,其种类很多,且各自有其适用的环境和基体㊂根据基体材料以及工况环境选择相匹配的固体润滑剂,可以保证金属基自润滑复合材料具有良好的减摩耐磨效果㊂针对上述内容,本文综述了金属基自润滑复合材料采用的固体润滑剂种类㊁基本性质㊁优缺点㊁润滑机理,总结了固体润滑剂的适用温度及其在金属基自润滑复合材料中的应用情况,并对金属基自润滑复合材料固体润滑剂的发展趋势进行了展望㊂关键词:金属基自润滑复合材料;固体润滑剂;润滑机理;研究进展;展望中图分类号:TB331㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2023.05.0030㊀引言固体润滑剂[1]是金属基自润滑复合材料的重要组成部分,在金属基自润滑复合材料中的应用具有很长的历史㊂早在19世纪初期[2-3],石墨和Pb 已经作为润滑剂用于低速运转的机器上㊂20世纪30年代,添加固体润滑剂的铁基自润滑轴承在德国出现㊂20世纪60年代,添加MoS 2的金属基自润滑复合材料逐渐产生,并对超音速飞机的问世起到了重要的推动作用[4]㊂到目前为止,由于固体润滑剂可在一些特殊工况下(见表1)起润滑作用,这对高新技术的发展起到了重要的推动作用[5]㊂金属基自润滑复合材料固体润滑剂种类很多,包括无机层状固体润滑剂㊁金属及其化合物㊁MAX 金属陶瓷㊁有机物固体润滑剂㊁多元复合固体润滑剂等,其各有优缺点,且仍处于不断发展阶段㊂表1㊀固体润滑剂的适用场景Tab.1㊀Applicable scenaries of solid lubricants适用场景具体应用高负载滑动场景重型机械中的摩擦部件高温环境下磨损场景航空航天发动机㊁导弹燃油泵等摩擦部件强辐射环境下摩擦场景核电站㊁卫星等设备上的裸露活动部件强腐蚀性介质中摩擦场景化学反应器轴承,压缩机螺丝等部件摩擦接触表面导电场景电刷㊁受电弓滑板等灰尘或碎片环境中工作场景矿山机械和织机机械中的摩擦部件需要保证清洁的摩擦场景食品机械㊁纺织机械等摩擦部件微颤环境下的摩擦场景汽车和飞机上的摩擦部件1㊀无机层状固体润滑剂1.1㊀石墨石墨价格低廉,在潮湿环境中由于水的氢离第5期邹㊀芹等㊀金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展399㊀子和氢氧根离子的饱和导致层间范德华键减弱,从而促进了层间分裂,在金属表面形成一层具有减摩作用的润滑膜[6],使得其可在潮湿环境提供有效润滑㊂目前,石墨作为金属基自润滑复合材料固体润滑剂的研究主要集中在改善不同钢种在不同工业应用中的摩擦磨损性能上,而制备时石墨与部分金属基体(Cu㊁Al等)润湿性较差,导致两者界面结合变差,影响复合材料的力学性能以及摩擦学性能,另外使用过程中产生的高温会导致石墨氧化和烧蚀,严重影响润滑效果[6-8]㊂对石墨进行金属化改性,如采用金属(Ni㊁Cu等)包覆石墨的办法,能有效改善石墨与基体的界面结合,同时防止石墨氧化和腐蚀,改善石墨高温润滑效果,从而提高复合材料摩擦学性能,扩大使用范围㊂张鑫等[9]采用Cu包覆石墨制备了Cu基粉末冶金摩擦材料,其材料表面形成的摩擦膜主要为氧化膜,而采用普通石墨时,由于材料表面较多的石墨会抑制氧化反应,会形成石墨膜,其对材料表面的保护效果不及氧化膜㊂但相对于原基体,两种材料摩擦性能均有明显提高㊂Zhao等[10]证明了石墨与青铜无法充分润湿,而加入Ni或Cu包覆石墨的复合材料可以明显提高石墨与基体的结合性,Ni包覆石墨青铜基材料具有更稳定的摩擦系数㊁更低的磨损率㊁更高的维氏硬度,包覆石墨的Ni也可以提高复合材料的耐蚀性㊂牛志鹏等[11]发现加入镀Ni石墨可以降低石墨与Al的润湿角,提高基体的力学性能,降低复合材料的摩擦系数和磨损率,使金相组织变得更加致密㊂但石墨表面光滑且亲水性差,难以实现完全包覆㊂罗虞霞等[12]发现,采用机械化整形处理石墨表面,可以获得更为完整的Ni包覆层㊂冀国娟等[13]发现,在石墨表面进行微氧化以及在化学包覆反应溶液中加入醇类表面活性剂,均可提高包覆率㊂综上,采用金属包覆石墨作为固体润滑剂可显著提高其高温润滑特性㊂然而,石墨表面包覆金属层的完整性是决定其润滑性能的关键因素㊂故进一步提高石墨表面包覆金属层的完整性以及连续性将继续成为研究的重点㊂1.2㊀BNBN导电性能强㊁热稳定性高,在大气环境中适用温度为500~800ħ,是高温自润滑材料的优良润滑剂㊂其润滑机理为[14-15]:高于500ħ时,BN 会在摩擦过程中剥落而转移到摩擦表面形成润滑膜,起减摩作用㊂蒋冰玉等[16]以Ni-Cr合金为基体材料,BN为固体润滑剂,制备出燃气轮机中减摩耐磨用的高温自润滑复合材料㊂目前,尽管BN 是一种人们熟知的高温固体润滑剂,但由于其存在有效性差㊁不可润湿等问题,使得人们对于BN 单独应用在金属基自润滑复合材料上的报道较少,其常与其他固体润滑剂协同润滑[17]㊂2㊀金属及其化合物2.1㊀金属常见的金属固体润滑剂有Pb㊁Al㊁Ag㊁Au㊁Sn㊁Bi㊁In等,其具有纯度高㊁原料易得㊁低温环境不会丧失润滑性能等优点㊂金属固体润滑剂在强辐射㊁真空㊁低温等极端工作条件非常适合作为金属基自润滑复合材料的固体润滑剂使用,常与Cu㊁Al㊁TiAl等金属基体组成复合材料㊂其润滑机理为:在摩擦热的作用下,由于热膨胀系数不同,金属逐渐从基体内扩散到摩擦表面形成润滑膜,起减摩作用,但其适用环境受温度限制严重㊂Yao等[18]发现,在200ħ时,Ag在剪切应力作用下扩散到摩擦表面,起减摩耐磨作用㊂但在600ħ时Ag完全失去润滑作用(图1)㊂Dong 等[19]发现,Cu-24Pb-x Sn合金的自润滑性能和力学性能随Sn含量的增加而增加,Pb含量的增加有效地削弱了以摩擦系数变化为特征的粘滑现象㊂李聪敏等[20]以Al-Cu-Mg合金为基体,添加低熔点组元Bi后合金抗咬合能力明显提升,发现带状富Bi 相涂覆在磨损表面,起到减摩自润滑作用㊂金属在强辐射㊁真空㊁低温等极端环境仍具有润滑特性,但是也存在着一些缺点,如:Pb本身有毒,对人体和环境都有危害,Ag㊁Au㊁In等金属作为固体润滑剂时成本太高;金属在空气中暴露的时间过长时,易发生氧化反应,影响润滑效果㊂2.2㊀金属氧化物常见的金属氧化物固体润滑剂有PbO㊁CuO㊁MoO3㊁SnO㊁ZnO等㊂金属氧化物是最早应用的高温固体润滑剂,常与Fe㊁Ni㊁NiAl等金属基体组成复合材料㊂由于金属氧化物具有较低的剪切强度,可有效避免摩400㊀燕山大学学报2023擦过程中的咬合现象㊂Peterson 等[21]考察了大量氧化物的高温摩擦学特性,发现PbO 等少数氧化物可实现较宽温度范围内的有效润滑㊂但是,由于PbO 危害环境,国外已限制其应用㊂Zhu 等[22]通过PM 制备了添加氧化物(ZnO /CuO)的NiAl-C-Mo 自润滑材料,发现氧化物在低温时几乎不起减摩作用㊂但当温度达到600ħ时,磨损表面形成了ZnO㊁CuO 和MoO 3层,表现出了良好的减摩耐磨效果㊂结果表明,金属氧化物在高温时润滑效果显著㊂但是,目前关于二组元氧化物的润滑机理还未得到统一㊂图1㊀TiAl 基自润滑复合材料磨损表面的微观结构演变示意图Fig.1㊀Schematic diagram of microstructure evolution of wear surface of TiAl based self-lubricating composite2.3㊀金属氟化物常见的金属氟化物固体润滑剂有CaF 2㊁BaF 2㊁LaF 3等㊂金属氟化物热稳定性良好,从500ħ到1000ħ的温度范围都能起到良好的减摩耐磨作用,其原因主要为金属氟化物在500ħ时经历了由脆性到塑性的转变㊂Longson [23]发现,CaF 2和BaF 2具有良好润滑性的原因是其在摩擦过程中由脆性向塑性转变以及氟元素与金属表面发生化学反应的共同作用㊂尽管对CaF 2和BaF 2润滑机理进行了大量研究,但是对于其转移润滑机理的全面认识还有赖于进一步研究㊂综上,由于金属氟化物特殊的润滑机制导致其在低温时不提供润滑,故单独采用金属氟化物作为金属基自润滑复合材料固体润滑剂的报道很少,其多与石墨㊁Ag 等固体润滑剂复合使用,达到宽温度范围有效润滑的目的㊂2.4㊀金属硫化物常见的金属硫化物固体润滑剂有MoS 2㊁WS 2㊁FeS㊁CrS 等㊂MoS 2属于六方晶系,具有层状结构,常与Fe㊁Al㊁Ag 等金属基体组成复合材料㊂MoS 2在大气环境中适用温度可达350ħ,润滑机理与石墨相似,由于具有低摩擦㊁低接触电阻等优点,广泛用作航空㊁航天机构中的滑动电接触材料[24]㊂WS 2因其良好的热稳定性和抗氧化性而广泛应用于高温环境㊂研究表明[25-27],在大气环境中通过在金属基体中掺入MoS 2或WS 2颗粒可显著提高Ni [25]㊁Al [26]㊁Fe [27]等金属基复合材料的摩擦学性能,使其满足使用要求㊂但是,MoS 2和WS 2会因大气湿度高㊁氧气的存在以及高温而导致润滑性能降低㊂通过掺杂金属或无定形碳可以保护MoS 2边缘位置免受氧化,从而提高MoS 2和WS 2在潮湿或较高温度条件下的摩擦学性能㊂Rigato 等[28]发现在MoS 2层状结构中掺杂Ti 增加了MoS 2层间距离,从而改善了其摩擦学性能㊂此外,研究发现,在MoS 2层状结构中掺杂Ni [29]㊁Cu [30]等金属可提高复合材料在潮湿环境和真空条件下的摩擦磨损性能㊂FeS 与MoS 2相比,具有优异的耐高温特性,因其较疏松的鳞片状结构能储存润滑油,可进一步提升润滑性能㊂尹延国等[31]发现FeS /Cu 基复合材料在在干摩擦过程中,FeS 颗粒聚集在摩擦表面形成一层硫化物固体润滑膜,具有较好的减摩㊁抗粘着作用,在油润滑条件下,润滑油膜和FeS 固体润滑膜可以起协同润滑作用㊂Lu 等[32]采用NiCr /Cr 3C 2和WS 2粉末在Ti 6Al 4V 基体上激光熔覆制备了Ti 2SC /CrS 自润滑耐磨复合涂层,由于原位合第5期邹㊀芹等㊀金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展401㊀成的自润滑Ti2SC和CrS的存在,自润滑抗磨复合涂层显示出比不添加WS2粉末的抗磨复合涂层更好的摩擦学性能㊂综上,MoS2和WS2在高温真空条件下具有优良的润滑特性,被认为高温真空条件下的首选固体润滑剂㊂在大气环境中,温度低于350ħ时,金属基-MoS2自润滑材料表现出优异的摩擦学性能㊂但是,MoS2在大气环境中高温时容易发生氧化[29-30],限制了其应用环境㊂故如何进一步提高MoS2在潮湿和较高温度条件下的摩擦学性能将继续成为研究的重点㊂2.5㊀金属硒化物常见的金属硒化物固体润滑剂有NbSe2㊂NbSe2导电性能优异,相对摩擦系数低,常与Ag㊁Cu[33-34]等金属基体组成复合材料,广泛应用于电接触领域㊂早在20世纪80年代,美国NASA便采用Ag-NbSe2自润滑材料来制作卫星上的电刷,并取得良好效果㊂Ag-NbSe2自润滑材料具有良好润滑性能的原因[33]为在摩擦热和变形挤压的共同作用下,部分NbSe2转移到摩擦表面,形成了NbSe2润滑膜,起减摩作用㊂孙建荣等[34]发现,高负载㊁真空条件下,添加纤维状NbSe2的Cu-石墨复合材料摩擦系数远低于原复合材料㊂因此, NbSe2常作为真空条件下的固体润滑剂使用㊂3㊀MAX金属陶瓷MAX金属陶瓷因为其原子结构和独特的化学键特性,使MAX金属陶瓷兼具金属和陶瓷的优点,如高硬度㊁高弹性模量,具有良好的抗氧化性㊁耐腐蚀性㊁导电导热性㊁辐照性能㊁高温机械和摩擦学性能等[35]㊂理论计算约有600余种能稳定存在的三元MAX金属陶瓷,如今可以通过实验合成80多种[36],如Ti3SiC2㊁Ti3AlC2㊁Ti2AlC㊁Ti2AlN㊁Ta2AlC等㊂目前,除Ti3SiC2和Ti3AlC2外,对于其他MAX金属陶瓷应用于金属基自润滑复合材料的研究鲜有报道㊂在材料基体中添加一定量的Ti3SiC2/Ti3AlC2颗粒润滑相能够显著提升金属基体的摩擦学性能㊂研究表明[37-39]不同温度下的微观结构以及反应产物对Ti3SiC2㊁Ti3AlC2的润滑性能有重要的影响㊂Zou等[38]用放电等离子烧结制备Ti3SiC2增强TiAl基复合材料,Ti3SiC2均匀分布在TiAl基质中,部分分解形成Ti5Si3和TiC,室温摩擦时复合材料表面形成Ti3SiC2润滑膜,550ħ摩擦时形成Fe-Ti-Al-Si-氧化物润滑膜,起润滑作用㊂朱咸勇等[39]发现,当试验温度低于400ħ在轻载条件下难以形成稳定氧化物润滑膜,其润滑特性主要依赖于特殊的层状形貌,而试验温度超过500ħ会促使材料表面形成氧化物润滑膜,起到减摩耐磨的作用㊂同时,MAX金属陶瓷添加量对复合材料摩擦学性能影响较为显著㊂陈海吉[40]使用放电等离子烧结制备Ti3AlC2/Cu复合材料,研究表明,随着Ti3AlC2添加量增加,复合材料摩擦磨损性能得到提高㊂研究发现当含量过高时会导致其致密度降低,影响摩擦学性能㊂烧结温度对MAX金属陶瓷自润滑复合材料性能也有重要影响㊂Zhou等人[41]发现烧结温度在900ħ以上时,在Cu和Ti3SiC2界面会形成Cu㊁TiC x㊁Ti3SiC2和Cu x Si y混合区从而提高系统的润湿性和耐磨性㊂综上,MAX金属陶瓷应用在摩擦材料的大多数情况下,由于摩擦过程中形成的氧化物润滑膜具有特殊的层状结构,使复合材料润滑效果更好㊂另外,表面改性以及较高的烧结温度可进一步提高其润滑效果㊂4㊀有机固体润滑剂除上述固体润滑剂外,还有一类性能优越㊁可用于极端环境(真空㊁强辐射)条件下的单一固体润滑剂-有机固体润滑剂㊂有机固体润滑剂种类很多,如聚四氟乙烯(PTFE)㊁三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)等,但较低的适用温度(-270~275ħ)限制了其在金属基复合材料中的应用㊂PTFE是所有聚合物中摩擦系数最低的[42]㊂其抗剪切强度较低,受剪切力时聚合物链脱开,可提供润滑作用㊂同时,由于含F外壳的存在,其抗咬合性优异,常采用电沉积法与Ni[43]㊁Fe[44]等金属基体组成复合材料㊂MCA润滑特性与MoS2相似,滑动面间极易受力断裂,提供润滑作用㊂Tang 等[43]发现,由于润滑转移层的存在,Ni-Co-PTFE 复合材料显示出良好的摩擦学性能(摩擦系数0.08)㊂Xiang等[44]则指出PTFE的低摩擦系数以及40Cr钢的高强度是40Cr钢-PTFE复合材料具有良好摩擦学性能的重要原因㊂但是PTFE的力402㊀燕山大学学报2023学性能较差,线膨胀系数大,故将PTFE用作固体润滑材料时通常要添加填充物对其进行改性或对金属基体进行阳极氧化处理[45]㊂魏羟等[46]用Pb 粉㊁石墨㊁玻璃纤维填充PTFE制成Cu基镶嵌型关节轴承材料,显示出较好的摩擦磨损性能㊂但李同生等[47]发现,与含铅PTFE镶嵌轴承相比,无铅PTFE镶嵌轴承在工作时所形成的润滑膜最为完整㊁均匀,耐磨性更好㊂同时,对金属基体进行阳极氧化处理改性可进一步提高PTFE与基体金属基体的附着性[45]㊂综上,添加填充物对PTFE进行改性或对金属基体进行阳极氧化处理可大大提高复合材料的机械和摩擦学性能㊂5㊀碳纳米材料固体润滑剂近年来,纳米技术的快速发展推动了金属基自润滑复合材料的开发,出现了新型碳纳米材料固体润滑剂,例如碳纳米管(CNTs)㊁石墨烯(GPLs)等㊂由于其尺寸小,容易进入摩擦接触区域,形成保护摩擦膜,产生自润滑效应㊂同时,界面以下的新型碳纳米材料还可以防止应力集中而引发的严重磨损㊂5.1㊀碳纳米管CNTs具有良好的润滑特性,被认为是金属基自润滑复合材料中石墨的替代品㊂在这方面,有相关报道称已经成功开发了用于汽车工业的CNTs-金属基自润滑复合材料[48]㊂Orowan环化机制以及CNTs与金属基体之间热膨胀失配所产生的位错在增强Al/Cu-CNTs复合材料中起着重要作用[49]㊂为达到预想的润滑效果,CNTs在基体中的均匀分布以及界面调控就显得尤为重要㊂对此,研究者们做了大量的工作㊂2004年,Noguchi等[50]开发了一种新方法制备复合材料,首先让CNTs均匀分布在弹性体基体内,然后用Al来置换弹性体基体,从而保证CNTs均匀分布在Al基体内㊂2019年,周川等[51]采用混酸处理㊁分子水平法结合行星球磨两步混合工艺成功制备出Cu-CNTs复合粉末㊂混酸处理将含O官能团成功引入CNTs表面,提高了CNTs与基体的界面结合㊂以上研究均表明,均匀分布的CNTs可显著提高材料的机械和摩擦学性能㊂5.2㊀石墨烯片GPLs是目前已知最薄㊁最硬㊁导电性能最好的材料,具有良好的润滑特性,同时,可以通过晶粒细化㊁位错强化和应力转移来提高复合材料强度[52]㊂在过去的十多年里,绝大多数报道均表明在基体中均匀分布且结合良好的GPLs能够明显改善金属基复合材料的摩擦学性能㊂但是,聚集状态的GPLs增强效果较差,与石墨薄片几乎无差别㊂研究表明[53-55],不同的因素(例如GPLs的类型㊁含量㊁基体材料㊁混料方法和球磨时间等)会显著影响GPLs在金属基体中的分散性㊂为了保证GPLs均匀地分散在基体中,部分研究者在粉体混合工艺中采用氧化石墨烯代替石墨烯,先得到均匀混合的氧化石墨烯/合金粉体,再通过氧化石墨烯的热还原性质得到高度均匀的还原石墨烯/合金粉体[56]㊂Bastwros等[53]则研究了球磨时间对GPLs增强Al基复合材料的影响㊂发现经过10 min球磨后的材料综合性能反而降低,而60min 球磨后GPLs均匀分散在到Al基体内,在摩擦学性能上,GPLs显示出了良好的增强效果㊂另一方面,化学镀和电化学沉积法制备金属包覆型碳纳米材料,也可以确保GPLs均匀地分散在基体中㊂李远军[55]通过化学镀将纳米铜颗粒负载于还原氧化石墨烯表面的方法来确保其在Cu基体上均匀分布㊂但研究表明,化学镀和电化学沉积法一般仅适用于Cu㊁Ni㊁Ag等电负性较低的金属基体㊂综上,碳纳米材料可显著提高材料摩擦学和机械性能㊂但是,CNTs严重团聚以及与基体结合不牢固会减弱增强效果,甚至导致材料失效㊁降低使用寿命,从而进一步增加制造成本,限制其在金属基自润滑复合材料上的广泛应用㊂这就对制造方法㊁材料尺寸大小以及空间分布提出来更为苛刻的要求,但是,由于弱的层间相互作用,碳纳米管㊁石墨烯在实现超滑方面有很大的潜力[57]㊂因此,目前研究者们对于碳纳米材料固体润滑增强金属基自润滑复合材料的研究也主要集中在这四方面:1)提高碳纳米材料在金属基复合材料中分散的均匀性;2)对碳纳米材料与金属形成的界面组织进行调控;3)掺杂其他固体润滑剂,进一步提高金属的减摩耐磨性能;4)微观尺度上,研第5期邹㊀芹等㊀金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展403㊀究石墨烯对材料性能的作用机理㊂综上,单一固体润滑剂对使用环境具有选择性,无法实现宽温度范围(25~800ħ)以及多种环境下的有效润滑㊂常见单一固体润滑剂的性能及优缺点见表2[1-57]㊂表2㊀单一固体润滑剂性能及优缺点Tab.2㊀Performance and relative merits of single solid lubricant固体润滑剂适用温度/ħ摩擦系数μ优点存在的问题最新解决方法石墨-270~5500.05~0.3(大气中)廉价㊁减震性良好㊁可在潮湿环境提供有效润滑强度较低,仅在大气环境提供有效润滑对石墨粉末进行表面改性,如镍包覆石墨MoS2-270~3500.006~0.25(大气中)0.001~0.2(真空中)高温真空条件下稳定性优异大气环境易氧化失效掺杂金属或无定形碳BN500~8000.15~0.25(大气中)良好的高温固体润滑剂成本较高,低温润滑性差与低温固体润滑剂协同润滑Ag㊁Au-270~4000.08~0.2(大气中).0.08~0.15(真空中)导电性能优异在酸碱条件下无效,成本高与其他固体润滑剂协同润滑PbO200~6500.1~0.3(大气中)可实现宽温度范围有效润滑有毒物质,摩擦系数较高㊁且形成润滑膜易脱落已被其他固体润滑剂替代CaF2㊁BaF2㊁LaF3500~9000.2~0.4(大气中)可实现高温有效润滑低温润滑性差与低温固体润滑剂协同润滑MAX金属陶瓷400~8000.005(大气中)高温机械和摩擦学性能优异,导电性能良好与Fe等基体复合时,界面结合差,易脱落1)添加增强相;2)对Ti3SiC2㊁Ti3AlC2进行表面改性,如镀铜PTFE-270~2750.04~0.2(大气中)0.04~0.15(真空中)真空润滑性能优异,抗咬合性好300ħ以上失效,不耐高温㊁力学性能较差,线膨胀系数大1)添加填充物对PTFE进行改性;2)对金属基体进行阳极氧化处理碳纳米材料-270~5000.05~0.2(大气中)轻质,可显著提高复合材料机械学㊁摩擦学性能团聚以及界面结合严重影响润滑效果,生产成本高昂1)氧化石墨烯代替石墨烯;2)混酸处理;3)金属包覆碳纳米材料;4)掺杂其他固体润滑剂6㊀多元复合固体润滑剂早在20世纪60年代初,人们就已经发现,两种或者多种固体润滑剂混合使用时,由于不同固体润滑剂之间的协同作用,使得其润滑效果好于其中任何一种固体润滑剂单独作用㊂6.1㊀Ni基自润滑材料的多元复合固体润滑剂在过去的20年中,已经成功开发了一系列Ni 基的高温自润滑复合材料[58-62]㊂该类由Ni基体与固体润滑剂(Ag-BaF2/CaF2/LaF3-金属氧化物/无机盐)组成的自润滑复合材料,在很宽的温度范围(25~800ħ)和高强度(800ħ,500MPa的抗压强度)并存的情况下表现出优异的润滑性能(图2[59])㊂其良好的润滑特性(摩擦系数(0.23~ 0.34)和低磨损率(10-6~10-5mm3N-1m-1)解释为Ag㊁氟化物㊁无机盐的协同作用㊂当高于500ħ时,氟化物中的低共熔物从基体中逸出,发生由脆性到塑性的转变,可进一步提升润滑效果[60]㊂Zhen等[61]指出由于Ag膜的存在,真空环境中该类复合材料摩擦系数和磨损率均低于大气环境中的摩擦系数和磨损率,是一种很有潜力的航空㊁航天材料㊂此外Zhen等[62]的另一份研究表明,在Ag-BaF2-CaF2固体润滑剂的基础上再添质量分数为0.5%~1%的石墨可以使Ni基复合材料获得稳定的摩擦性能(摩擦系数(0.19~0.29)和磨损率(5.3ˑ10-6~2.3ˑ10-5mm3N-1m-1)㊂404㊀燕山大学学报2023图2㊀Ni 基自润滑复合材料的摩擦学性能Fig.2㊀Tribological properties of Ni basedself-lubricating composites6.2㊀Ni 3Al 基自润滑材料的多元复合固体润滑剂进一步研究表明[63-65],该类由Ni 3Al 基体与固体润滑剂(Ag-CaF 2-BaF 2)和增强材料(Cr,Mo 等金属元素)组成的自润滑复合材料,在从室温到1000ħ的宽温度范围内表现出低摩擦系数(μ<0.4)和低磨损率(10-6~10-4mm 3N -1m -1),且具有令人满意的机械性能(硬度>300HV,抗压强度>1000MP)㊂Zhu 等[65]采用热压烧结法制备的Ni 3Al-6.2BaF 2-3.8CaF 2-12.5Ag-20Cr 复合材料实现了室温到1000ħ的有效润滑(摩擦系数(0.24~0.37)和低磨损率(5.2ˑ10-5~2.3ˑ10-4mm 3N -1m -1))㊂Ni 3Al 基体良好的高温机械性能,Ag㊁氟化物㊁无机盐的协同润滑以及Cr 元素对基体的增强作用使得其可以实现更宽温度范围的有效润滑㊂与Ni 基自润滑复合材料相比,Ni 3Al 基自润滑复合材料则可实现更宽温度范围内的有效润滑,其润滑机理见图3[66]㊂6.3㊀TiAl 基自润滑材料的多元复合固体润滑剂近年来,由于航空㊁航天工业的需要,科研人员制备了一系列基于TiAl 基的高温自润滑复合材料[67-69]㊂该类由TiAl 基体与固体润滑剂(Ag-Ti 3SiC 2-BaF 2/CaF 2)组成的自润滑复合材料,具有硬度高(>500HV)㊁轻质(ρ<3.9g /cm 3)等优点㊂结果表明[66-68],Ag-Ti 3SiC 2-BaF 2-CaF 2润滑体系在宽温度范围内下具有良好的协同效应:低温时,银扩散到金属基体的摩擦表面形成了一层富Ag 的摩擦膜,高温时,由于BaF 2㊁CaF 2的挤压和Ti 的氧化,在摩擦表面形成了一层含氟化物和氧化物的摩擦膜㊂但是,从室温到800ħ的宽温度范围内其摩擦系数(μ>0.3)和磨损率(10-4mm 3N -1m -1)较高,摩擦学性能有待进一步提高㊂图3㊀宽温度范围内Ni 3Al 基自润滑复合材料的润滑机理Fig.3㊀Lubrication mechanism of Ni 3Al based self-lubricating composites in a wide temperature range㊀㊀综上,可得出:1)多元复合固体润滑剂的协同作用在宽温度范围内对改善复合材料的摩擦学性能起重要作用;2)选择高温机械性能优异的金属基体以及适当添加Cr㊁Mo 等金属元素可实现更宽温度范围的有效润滑;3)Ag 与氟化物/无机盐/MAX 金属陶瓷材料等高温固体润滑剂的组合具有极佳的协同润滑作用㊂6.4㊀Fe /Cu /Ag 等金属基自润滑材料的多元复合固体润滑剂㊀㊀人们对多元复合固体润滑剂对Fe [70-71]㊁Cu [72]㊁Ag [73]等金属基体性能影响也进行了大量研究㊂Li 等[71]发现以LaF 3和MoS 2作为润滑组元的Fe 基复合材料可显示出超低的摩擦系数(0.09),。
中科院兰州化物所科技成果——固体润滑涂层
中科院兰州化物所科技成果——固体润滑涂层技术概述固体润滑涂层是将各种固体润滑剂、增强填料等分散在有机或者无机粘结体系中形成特殊涂料，再用喷涂、刷涂或者浸涂等类似的涂装工艺在部件表面形成一定厚度的涂层，经自然干燥或者加温固化形成附着牢固的涂层，起到改善机械部件润滑状态、降低部件摩擦与磨损、延长部件使用寿命的作用，同时还可以起到耐腐蚀、耐高温、防烧粘、密封降噪等功能防护作用。
这是目前品种最多、应用最广的一种新型润滑防护技术。
技术指标（1）涂层典型厚度10-30微米，可根据实际应用调整；（2）使用温度范围从-100到800℃都有可选择的涂层产品；（3）部分产品性能满足美军标MIL-L-23398D、MIL-L-46010E技术要求，具有承载能力高（≥10000N）、耐磨寿命长（≥450min）的特点；（4）涂层耐盐雾腐蚀性能≥100h；（5）涂层附着力优于1级，柔韧性1mm，耐冲击性≥50cm。
技术特点（1）涂层比较薄，可以用到几乎所有的摩擦部件上而不需改变部件的尺寸；（2）实现无油润滑，省去复杂的油泵油路系统，可作为特殊工况及忌讳油脂存在的机械零部件的润滑材料；（3）可在高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化还原和强辐射等环境条件下对摩擦部件有效地润滑；（4）适用于多种类型材质的底材，且不会随时间发生变化和流动，可以作为频繁起动和长期不动偶尔起动的机械零部件的润滑材料；（5）具有优良的防腐性能和动密封性能，能起到防止机械振动和减少机械噪音的作用。
先进程度国际先进、国内领先技术状态批量生产、成熟应用阶段适用范围先进装备和制造行业零部件表面润滑与防护获奖情况（1）2004年，航空用特种润滑和密封材料与技术，国家发明二等奖；（2）2002年，航空用特种润滑密封与防护材料，甘肃省科技进步一等奖；（3）2005年，大型装备摩擦副室温固化防腐耐磨涂层研究，军队科技进步二等奖。
专利状态已获得专利9项合作方式（1）技术转让：将我单位产品成果、专利及所属权利转让于受让单位。
纳米K_2Ti_4O_9晶须增强型固体润滑涂层在切削加工中的应用
纳米 K 2 Ti 4 O 9 晶须增强型固体润滑涂层在切削加工中的应用 3朱成顺 刘 育 李长生 宋昌才 范 江苏大学真 丁建宁 杨继昌摘 要 :为了减少切削加工中切削液的排放 ,改善环境 ,本研究用固体润滑剂代替切削液 。
在高温摩擦试验机 上对四种固体润滑剂进行了摩擦试验和效果对比 ,筛选出纳米钛酸钾增强型复合固体润滑剂 ; 将其涂覆在刀具表 面进行 40Cr 钢切削试验 ,干切削中切削速度为 140m/ min 时涂层刀具的后刀面磨损量是未涂层刀具的 1/ 6 ,比使用 切削液时的磨损量也略有降低 ;随着切削速度的升高 ,涂层刀具的后刀面磨损量有所增加 ,但仍比未涂层的低 ,比 使用润滑液的有所增高 。
AFM 、SEM 和 E DX 对摩擦表面的分析结果表明 :固体润滑膜涂覆在刀具表面 ,可改善刀具 的润滑状况 ,有效地防止切屑和刀具的粘附 ,明显减少刀具的磨损 。
关键词 :固体润滑 , 干式切削 , 钛酸钾晶须 , 后刀面磨损Appl i cation of N ano 2K 2 Ti 4 O 9 W hisker E nh ance d Sol i d Lubricati on C oat in MachiningZhu C hengshun Liu Y u Li C hangsheng et alAbstract : In ord er to d ecrease the emission of cu tting flu id in the machining and protect the environmen t , the cu tting fluid isreplaced b y solid lubricant in the research sub ject . F our kinds of solid lubricants are tested in the hig h temperatu re friction tester. The resu lts of tests are compared each other and from w hich the nano K 2 Ti 4O 9 w hisker enhanced solid lubrication film is chosen. The film is placed on the face of cu tting to ols and the 40C r steel is cu t on the C A6140 lathe b y the cu tter. At the velocity of 140 m/ min , the w ear of the tool flank w ith solid lubrication film is 1/ 6 of the one w ithou t the film , and it is even lower than that using cu tting fluid. With the increase of cu tting speed , the w ear of tool flank w ith solid lubrication film is low er than the one w ithou t so 2l id lubrication film , bu t it is hig her than that w ith flu id cu tting. S urface analysis b y AFM 、SE M and E DX reveals that s olid lubrica 2tion film can improve the lubrication o f the tool ’s surface , preven t Fe elemen t of ch ip s from d iffusing to the to ol ’s surface . The ad 2 hesion of the tool and chip s are ab ated and the w ear of the to ol flank is ob vio usly d ecreased.K ey w ords :solid lubrication , cu tting fluid , K 2 Ti 4O 9 whisker , w ear of the to ol flank 切削加工的特点是刀具 、切屑和工件的接触表 面为新鲜表面 ,接触压力大 ,温度高 ,使得刀具磨损 加快 。
固体膜润滑剂耐燃油及摩擦学性能研究
固体膜润滑剂耐燃油及摩擦学性能研究鲍天骄;李凤兰;王振军;李阳阳;王彦【摘要】通过系列耐燃油及摩擦学性能试验设计,模拟固体膜润滑剂在发动机燃油系统中的实际应用条件,对比研究满足MIL-PRF-46010标准的固体膜润滑剂(牌号A)、航空通用高温固体膜润滑剂(牌号B)以及航天用中温固体膜润滑剂(牌号C)在燃油系统中的耐燃油及摩擦磨损性能.结果表明:喷气燃料对A型固体膜润滑剂的影响不大,喷气燃料浸泡前后A型固体膜润滑剂的平均摩擦因数均在0.02～0.05范围内,耐磨寿命均在1h以上;A型固体膜润滑剂与喷气燃料长期接触不会影响喷气燃料的性能;A型固体膜润滑剂材料不论是在承载能力、耐磨寿命还是耐燃油性能方面都明显优于B型及C型固体膜润滑剂,这是因为A型固体膜润滑剂中的MoS2和Sb2O3起到了协同抗磨作用.%Through the design of jet fuel resistance and tribological properties,the real condition of solid film lubricant in engine was simulated.The Jet fuel resistance and tribological properties of three kinds of solid film lubricants in the fuel system were researched and compared,including the solid film lubricant (Type A) which satisfied the standard of MILPRF-46010,general aviation high temperature solid film lubricant (Type B) and aerospace mild temperature solid film lubricant (Type C).The results show that type A solid lubricant has no influence on the properties of jet fuel in a longtime contact,and jet fuel has little influence on type A solid film lubricant.Whether dipping in fuel or not,the average friction coefficient of type A solid lubricant is maintained in 0.02 to 0.05,and wear life is above 1 hour.Type A solid lubricant is obvious superior to type B and C solid lubricant in carrying capacity,wear life andfuel resistance properties,which is benefited from the synergistic anti-wear effect between MoS2 and Sb2O3 in the type A solid lubricant.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)005【总页数】5页(P130-134)【关键词】无油润滑;固体膜润滑剂;耐燃油【作者】鲍天骄;李凤兰;王振军;李阳阳;王彦【作者单位】北京航空材料研究院北京100095;北京航空材料研究院北京100095;北京航空材料研究院北京100095;北京航空材料研究院北京100095;北京航空材料研究院北京100095【正文语种】中文【中图分类】TB34;TH117.1固体润滑膜是二战后随航空航天技术发展起来的一种新型润滑材料，以整体材料、涂层或薄膜为主要润滑形式，是一种能够满足高温(≥250 ℃)、低温(≤-100 ℃)使用环境的润滑材料[1]。
固体润滑高分子涂层材料研究进展
分散相 增韧 ；）树脂 合 金化 增 韧 ；３ ２ ）用 含有 “ 性 柔 链段” 固化 剂 固化 环氧 树脂 ， 交联 网络 中引入 柔 的 在
性链段 增韧 ；）热致液 品 聚合 物增 韧 ； ）树 枝形 分 ４ ５ 子增韧 及纳米 粒子增 韧 等 。 广 州化学 研究所 的李 因文 等用 甲基 苯基硅 氧烷
奥托 尼克斯 电子 （ 嘉兴 ） 有限公 司生 产的具有 制动 功 能 的步进 电动机 ， 型号为 Ａ１０ ｌ Ｋ—Ｇ５ １ 。 ９ ３
修 方便 。 本 机床 使用 范 围较 广 ， 进行 中小 型机 械零 部 可 件 的加工及 修 配 。同时 ， 该机 床具 有钻床 、 立铣床 等 功 能 ， 以完成 钻 直孔 、 孔 ； 可 斜 铣水 平 面 、 重 面 、 铅 斜
近 年来 ， 固体 润 滑 已经成 为 摩擦 学 （ 擦 、 损 摩 磨 与 润滑 ） 域重 要 的研 究 课 题之 一 。固体 润 滑涂 层 领 技 术是指将 固体 物质 涂 或 镀 于摩 擦 副 界 面 ， 为 固 作 体 润滑材料 或 固体 润 滑 剂 ， 摩擦 副界 面进 行 润 滑 对 的方 法 ， 以降低摩 擦 或 减 少磨 损 。利 用 固体 润 滑 材
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ａｄｖ ｎｃ ｎ Ｓｏ ｉ ｂ ｉａ ｔＰｏ ｙ ｅ ａ ｉ ｇ Ｍ ａ ｅ ｉ ｌ ｓａ ｃ ａ ｅ ｏ ｌ Ｌｕ ｒ ｃ ｎ ｌ ｍ ｒ Ｃｏ ｔｎ ｄ ｔｒ ａｓ
ＺＨＡＮＧ ， ＬｉＬＶ ｉｏ Ｗ ＡＮＧ ｋ ， Ｗｅｂ ， Ｘｕ ｅ ＺＨＡＮＧ ｎ ｎ Ｌ ｉｈ ｉＷＡＮＧ ｎ， Ｘｉｅ ， ＩＪｎ ｕ ， Ｌｉ ＺＨＡＮＧ ｎ ｊ ｎ Ｒｏ ｇｕ
途径。
法 。为 降 低 摩 擦 而 添 加 的 润 滑 剂 有 Ｍｏ 石 墨 、 Ｓ、 Ｐ Ｆ 、 ａ 。 ； 了提 高复 合 材 料 的强 度 、 磨性 Ｔ Ｅ ＬＦ 等 为 耐 以及抗 压 能力 等 ， 加碳 纤 维 、 纳 米管 等 的 Ｐ 基复 碳 Ｉ 合润 滑材料 近年也 有所 研究 。另一方 面 ， 由于 Ｐ 合 Ｉ
二硫化钼高分子复合固体摩擦材料研究进展
Ｓ－Ｍｏ 共价键相结合ꎬ 赋予了二硫化钼较高的比表面积以及优
异的热稳定性ꎬ 稳定的化学性能ꎮ ＭｏＳ２ 是六方晶系层状结构ꎬ
原子层通过范德华力相互作用结合在一起ꎬ 层与层之间的距离
为 ０ ６５ ｎｍꎬ 层间是由共价键结合 [１] ꎬ 这使得 ＭｏＳ２ 的键能低并
ＰＯＭ / ＰＥＯ / ＭｏＳ２ 三元复合材料具有优异的摩擦磨损和自润滑性
能ꎮ 胡坤宏等 [１２] 以 Ｎａ２ ＭｏＯ４ ２Ｈ２ Ｏ 和 ＣＨ３ ＣＳＮＨ２ 为原料ꎬ 经
快速均匀沉淀法ꎬ 制备出 ＭｏＳ２ 纳米球( ＭｏＳ２ ｎａｎｏ－ｂａｌｌｓ) ꎬ 再与
聚甲醛在双辊机上于 １８５ ℃ 混炼ꎬ 保持 ＭｏＳ２ 含量为 ０ ５％ ꎬ 冷
ＰＯＭꎬ ＰＴＦＥ ａｎｄ ＰＩ ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｏｌｉｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｉｔｓ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｗｅｒｅ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ
Ｔｈｅ ｗｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ
耐磨性能ꎬ 成为近年来的研究热点 [２３] ꎮ 聚酰亚胺不能单独作为
减摩材料ꎬ 但适当的加入一些填料在一定程度上可以提高 ＰＩ
复合材料 的 摩 擦 性 能 [２４] ꎮ 朱 鹏 等 [２５] 采 用 热 压 成 型 工 艺 制 备
减摩机理为 ＭｏＳ２ 的 “ 滚动摩擦” 和 “ 滑动摩擦” 相互作用ꎮ
赵倩 [１０] 制备了 ＭｏＳ２ / 环氧树脂减摩材料ꎬ 当 ＭｏＳ２ 含量为 ２０％
固体润滑涂层高分子材料
一、固体润滑剂固体润滑剂是指用以分隔摩擦副对偶表面的一层低剪切阻力的固体材料。
对于这类材料，除了要求具有低剪切阻力外，与基底表面之间还应具备较强的键联力。
这也就是说，载荷由基底承受，而相对运动发生在固体润滑剂内。
使用固体润滑剂的优点在于：润滑油脂的使用温度范围一般为-60℃～+350℃,超过这一温度范围，润滑油脂将无能为力，而固体润滑剂却能充分发挥其效能；润滑油脂的承载能力也远远不如固体润滑剂；在高真空、强辐射、活性或惰性气体环境中以及在水或海水等流体中，润滑油脂容易失效，也需借助于固体润滑剂；固体润滑剂在贮存，运输和使甩过程中，对环境和产品的污染也比润滑油脂少得多；固体润滑剂还特别适合于要求无毒、无臭、不影响制品色泽的食品和纺织等行业；固体润滑剂的时效变化小，保管较为方便。
然而，固体润滑剂的缺点也很突出，例如润滑膜一旦失效就难以再生；一般地说，其摩擦因数比润滑油脂的大；摩擦界面上的热量不易被带走或逸散；容易产生碎屑、振动和噪声等。
二、固体润滑机理固体润滑的主要目的是用镀、涂等方法将固体润滑剂粘着在摩擦表面上形成固体润滑膜，摩擦时在对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在润滑剂内部，从而减少摩擦，降低磨损。
润滑膜一方面可以防止对偶材料表面直接接触，另一方面可以减小接触薄层的剪切强度，从而显著减小摩擦系数。
固体润滑剂具有润滑作用的薄膜主要包括物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜、氧化膜、涂层润滑膜以及自润滑膜等。
某些固体润滑剂能够与摩擦表面形成牢固的物理吸附膜；润滑剂的极性分子能够同摩擦表面经由化学吸附形成化学吸附膜；某些润滑剂分子可以同摩擦表面发生化学反应而形成化学反应膜；摩擦表面或工件材料中的某些元素在高温作用下产生氧化形成氧化物润滑膜；利用涂层技术可以在摩擦表面形成润滑涂层；通过对摩擦表面材料进行合理组合的组分设计可以使摩擦表面材料形成自润滑作用的自润滑膜。
在摩擦力较小的情况下，润滑膜较容易保持并起到减摩作用；随着摩擦力增大，润滑膜不断磨损并脱落，摩擦副处于边界润滑或混合润滑状态；当摩擦力进一步加大并导致边界润滑膜发生破裂失效，则摩擦副将处于无润滑的干切削状态。
两种固体润滑涂层转动微动摩擦学特性研究的开题报告
两种固体润滑涂层转动微动摩擦学特性研究的开题报告题目：两种固体润滑涂层转动微动摩擦学特性研究研究背景：润滑在机械工程中起着至关重要的作用，它能降低机械零件的摩擦系数，减少能源损耗，延长机械零件的使用寿命。
目前，在机械工程领域中，有很多种不同的润滑方式，如固体润滑、流体润滑等。
在这些润滑方式中，固体润滑因其可靠性好、维护成本低、环境友好等特点，被越来越广泛地应用于各种机械设备中。
研究内容：本文选取两种不同类型的固体润滑涂层，对其在转动微动下的摩擦学特性进行研究。
首先，对所选涂层进行表征，包括涂层的厚度、硬度、表面粗糙度等，总结其物理化学性质。
然后，在实验室环境下，采用旋转磨损试验仪，研究两种涂层的微动摩擦系数、摩擦学特性以及涂层磨损机理。
最后，对比分析两种涂层的优缺点，为涂层在实际应用中的选择提供参考。
研究方法：本研究采用试验研究法和理论分析法相结合的方法，主要包括以下步骤：1.选取两种不同类型的固体润滑涂层进行测试和对比；2.对选取的两种涂层进行表征，包括硬度测试、SEM等常见表征测试；3.设计转动微动实验方案，使用旋转磨损试验仪进行实验研究；4.对实验数据进行统计分析和处理，得出两种涂层在转动微动下的摩擦学性能以及磨损机理；5.结合实验结果，对比分析两种涂层的优缺点，为实际应用中的选择提供参考。
预期结果：该研究将研究两种不同类型的固体润滑涂层的转动微动摩擦学特性，并比较两种涂层的优缺点。
通过研究，我们预计可以得到以下结果：1. 两种涂层的微动摩擦系数和磨损机理；2. 两种涂层的优缺点比较分析，为涂层在实际应用中的选择提供参考。
研究意义：本文对于提高机器设备的耐用性和性能，降低维护成本，减少环境污染等具有一定的现实意义。
同时，本文研究的涂层在航空、汽车、机床、轴承等领域中有着广泛的应用前景，对于相关行业的工程技术人员具有一定的参考价值。
固体润滑高分子涂层材料..
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固体润滑高分子涂层材料
目录
• • • • • 固体润滑涂层技术的概念及种类 固体润滑高分子涂层材料的作用机理 常见固体润滑高分子涂层材料的特性 固体润滑涂层材料的应用 固体润滑涂层材料的发展趋势
1.1固体润滑涂层技术的概念
固体润滑涂层技术是指将固体物质涂或 镀于摩擦副界面,作为固体润滑材料或固体 润滑剂,对摩擦副界面进行润滑的方法,以 降低摩擦或减少磨损
1.2固体润滑涂层技术的种类
固体润滑涂层
高分子涂层
金属涂层
陶瓷涂层
有机粘结型
涂料型
•目前固体润滑高分子材料的研究热点集中 在聚苯硫醚(PPS)、环氧树脂、聚酰亚胺 (PI)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK) 等。
聚酰亚胺(PI)分子式
2.固体润滑高分子涂层材料的作用机理
• 高分子涂层可以隔离摩擦副表面间直接接 触,而涂层摩擦阻尼较小。 • 高分子涂层在对磨金属表面形成转移膜,隔 离摩擦表面间直接接触,降低摩擦阻尼。 • 高分子涂层表面微观多孔状或桔皮状结构 可储藏润滑油,与固体润滑剂产生减摩协同 效应。
•高分子涂层易于塑性变形,与对磨表面相适配, 增大真实接触面积, 缓解应力集中。 •高分子涂层具有良好的防腐性能和吸震功 能,从而避免了腐蚀磨损和冲击磨损的发生。
3.常见固体润滑高分子涂层材料的特性
3.1聚苯硫醚(PPS) • PPS由苯环与对位硫原子交替联接,结构对称规整 • 具有优良的热稳定性、化学稳定性、尺寸稳定性 和耐腐蚀性。 • 具有优良的自润滑性和耐磨性,并对石墨、玻璃纤 维、陶瓷、金属等具有良好的润湿性和粘结性
5.固体润滑涂层材料的发展趋势
• 开发新型固体润滑剂和高性能高分子树脂基体是 高分子固体润滑耐磨涂层取得突破性进展的根本 途径。
摩擦后即成液体的固体涂料
摩擦后即成液体的固体涂料
薛福连
【期刊名称】《弹性体》
【年(卷),期】2003(013)005
【总页数】1页(P43-43)
【作者】薛福连
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TQ633
【相关文献】
1.含纳米SiO2液体石蜡润滑下FeS固体润滑复合层的摩擦学性能 [J], 胡春华;马世宁;乔玉林;刘秋普;倪娜;王海涛
2.粉末涂料固体润滑膜滚动/滑动复合干摩擦磨损特性研究 [J], 乔红斌;郭强;潘国梁;朱亚辉;王三舟;许乐波
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4.干湿膜厚度比测定液体涂料体积固体含量计算方法 [J], 刘学红; 李丹; 李静静; 高冬
5.离子液体添加剂对硬脂酸钾固体润滑薄膜摩擦磨损性能的影响 [J], 于波;梁永民;刘维民
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高分子固体润滑耐磨涂层研究进展乔红斌,郭强(上海大学材料科学与工程学院,上海200072)摘 要:在阐明高分子固体润滑耐磨涂层的主要类型和减摩耐磨机理的基础上,总结评述了常用的几种高分子树脂基体固体润滑耐磨涂层的摩擦学特性,分析讨论了高分子涂层固体润滑耐磨性能的影响因素,并且展望了高分子固体润滑耐磨涂层的发展趋势和研究方向。
关键词:高分子涂层;磨损;摩擦;固体润滑中图分类号:T B322 文献标识码:A 文章编号:1000-3738(2004)02-0001-03Research Progress of Solid Lu bricating and Wear Resistant Polymer CoatingsQIAO Hong-bin,GUO Qiang(Shanghai University,Shanghai200072,China)A bstract:On basis of introducing primary types of poly mer coating s fo r the application in solid lubricating and w ear resistance and clarifying the mechanisms of anti-friction and wear resistance,the tribolo gical characteristics of several kinds o f so lid lubricating and w ear resistant poly mer coating s are summarized.T he facto rs o f effect on their solid lubricat-ing and wear resistance are discussed.I n additio n,the development trend and research direction of solid lubricating andw ear resistant polymer coatings are predicted.Key words:poly mer coating;w ear;friction;solid lubrication1 引 言近年来,随着摩擦学研究的重点从传统的流体动力润滑系统转向摩擦材料及其表面工程[1],固体润滑涂层研究日益受到重视。
摩擦副表面实施固体润滑涂层处理可在少油或无油润滑的工况下使用,明显降低摩擦系数,提高耐磨性能,既简化了润滑机构,延长使用寿命,同时又提高了设备的可靠性。
2 高分子固体润滑耐磨涂层固体润滑涂层的主要类型包括高分子涂层、金属涂层以及氧化物、氮化物、碳化物的陶瓷涂层[2]。
高分子涂层又可以分为有机粘结型和涂料型两类。
前者是采用一种粘结剂作为载体,把一种或多种固体润滑剂粘附在摩擦部件表面,这种传统的粘结型固体润滑涂层是目前品种最多、应用最广的一类。
通常采用的粘结剂有环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺收稿日期:2003-01-02;修订日期:2003-04-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(59675033)作者简介:乔红斌(1973-),男,江苏泰州人,博士研究生。
导师:郭强教授树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯等,采用二硫化钼(MoS2)、石墨、PTFE、金属氧化物、卤化物、硒化物、软金属等作为固体润滑剂。
后者是由具有固体润滑和耐磨性能的特种高分子工程涂料形成的涂层。
用作涂料的不仅有溶液型涂料,还包括粉末型涂料,如聚乙烯粉末涂料、聚酯粉末涂料、环氧树脂粉末涂料以及聚酯/环氧树脂粉末涂料等。
溶液型涂料采用的树脂与上述粘结剂树脂类似。
高分子固体润滑耐磨涂层的作用机理可以是下述的一项或几项:(1)高分子涂层可以隔离摩擦副表面间直接接触,而涂层摩擦阻尼较小。
(2)高分子涂层在对磨金属表面形成转移膜,隔离摩擦表面间直接接触,降低摩擦阻尼。
(3)高分子涂层表面微观多孔状或桔皮状结构可储藏润滑油,与固体润滑剂产生减摩协同效应。
(4)高分子涂层易于塑性变形,与对磨表面相适配,增大真实接触面积,缓解应力集中。
(5)高分子涂层具有良好的防腐性能和吸震功能,从而避免了腐蚀磨损和冲击磨损的发生。
高分子涂层的使用性能主要依赖于基体树脂的种类和固体润滑剂配方,常以高分子树脂的种类来第28卷第2期2004年2月机 械 工 程 材 料M aterials for Mechanical EngineeringV ol.28 No.2Feb.2004划分高分子涂层品种。
3 高分子固体润滑耐磨涂层特性3.1 环氧及酚醛环氧涂层环氧树脂具有优异的粘着、分散和力学性能,在耐腐蚀、耐水等方面性能也较优,但耐湿热老化性能差,韧性也不高,因此,许多研究工作致力于改善环氧树脂的韧性和耐老化性能[3]。
两种不同环氧值的双酚A型环氧树脂混合可使其抗冲击性能和柔韧性得到改善。
如在E-44和E-51两种环氧值不同的双酚A型混合树脂中加入聚苯胺,通过脂肪族多元胺和改性多元胺固化,可制得高耐磨耐腐蚀涂层[4],树脂与固化剂质量比为4∶1时,涂层耐磨性最佳(GB/T1768-93)。
陈建敏等[5]用氨基四官能环氧树脂AG-80,以钛酸丁酯、改性酸酐作固化剂和改进剂,并添加少量活性CuO,制得耐磨性涂料,喷涂层在大气中放置2～5h后再固化,使耐磨寿命明显提高。
近期有人通过添加无机氧化物纳米粉末来提高环氧涂层的耐磨性[6],对于618环氧树脂(E-51)和651聚酰胺固化剂的环氧涂层,采用Al2O3纳米粉末的粒度越小,涂层的耐磨性能改善越明显;添加质量分数10%、粒度30～60nm的γ-Al2O3的涂层耐磨性能较优。
酚醛环氧树脂基干涂层也是较常见的粘结型固体润滑涂层。
早在上世纪60年代,美国就开发了以酚醛环氧树脂为粘结剂、MoS2为固体润滑剂的固体润滑防锈涂料,在海军飞机上应用,还通过添加Sb2O3或二碱式亚磷酸铅改善防腐蚀性能。
在酚醛环氧树脂/MoS2干涂层中,加入稀土化合物(氟化镧)可显著提高耐磨寿命[7]。
在酚醛环氧树脂中加入无机胶正硅酸丁酯,可改善涂层表面性能,制得铝合金专用黑色耐磨涂料[8]。
对于酚醛环氧树脂/MoS2干涂层,采取底材处理和复合涂层技术可明显提高耐磨性[9]。
3.2 聚酰胺涂层聚酰胺具有较优异的耐磨性能,尤其是在尘土、泥砂的环境中,其耐磨性能优于一般工程塑料[10]。
由于聚酰胺涂层导热系数较小,而热膨胀系数较大,同时干摩擦时摩擦系数也偏大,因此常用于少油润滑和有冷却装置的场合。
泵、柴油机的铜制零部件经尼龙1010粉末喷涂后,其使用寿命提高两倍以上[11]。
添加环氧树脂可以提高聚酰胺涂层的粘结性能、强度和耐蚀性[10]。
添加PTFE可以改善聚酰胺涂层的耐磨性,但PTFE分散性较差,用三乙撑二胺或苄叉丙酮作分散剂可取得满意效果[10]。
填充纳米SiO2和碳黑明显影响尼龙11耐磨性能,如填充体积分数15%疏水性纳米SiO2和碳黑的尼龙11涂层,其耐磨性提高67%[12]。
3.3 聚酰亚胺涂层聚酰亚胺(PI)的结构随着合成时两种单体(二胺和二酸)不同而改变。
PI涂层具有突出的耐高温性能,在315℃下仍较稳定,而且摩擦磨损性能优异。
一般而言,含有柔性醚键的PI涂层摩擦系数低且耐磨损性能好,但醚键又使PI玻璃化温度降低,导致耐温性下降,塑性变形增大,从而使磨损率增加。
因此,对于PI涂层摩擦学性能来说,并非PI的链段越柔顺越好[13]。
常用于PI涂层的填料有石墨、MoS2、氟化石墨、PTFE等,其中石墨在高真空无水分子吸附的环境中不具有固体润滑效果;M oS2填充与PI匹配性不好,不利于低摩擦阻尼剪切层的形成;PTFE填充可导致PI涂层承载能力的降低;氟化石墨填充可促使低摩擦阻尼剪切层的形成;固体粉末填充剂一般使PI涂层的承载能力降低,对降低摩擦系数和磨损量不利[13]。
粘结型固体润滑涂层FM-110[14]是以主链上带有酰胺基的改性聚酰亚胺作为粘结剂,以PTFE微细粉末作为固体润滑剂。
PI涂层还可采取离子注入处理,提高涂层硬度,增大交联度,提高耐磨性[15]。
3.4 聚氨酯涂层聚氨酯弹性体具有杰出的耐磨料磨损性能,但由于它分子结构中含有-NCO,-OH和脲等强极性基团,表面能相对较高,滑动摩擦系数偏大,易产生摩擦热,总是通过加入一些减摩添加剂进行改性。
用聚醚多元醇与甲苯二异氰酸酯反应,合成分子链末端带有-NCO基团的预聚体,加入不同的添加剂,可制得多种耐磨聚氨酯胶料[16]。
有机硅类、有机蜡类添加剂与聚氨酯相容性较好,而含氟材料、无机添加剂的相容性较差。
PTFE通过60Coγ辐照可以改善其在聚氨酯中的分散性,并加入一定量的三聚氰胺氰尿络合物(MCA)以改善PTFE耐磨性[17]。
日本立邦公司研制出了一种表面含有-Si(OH)3的聚氨酯预聚体,可自交联固化成-Si-O-Si-网状结构,具有优异的耐磨性能[18]。
4 影响高分子耐磨涂层性能的因素4.1 高分子基体的结构与表面改性高分子涂层的附着强度、硬度和韧性对耐磨性能有影响,而这些性能主要依赖于高分子基体树脂结构,其中包括链段结构、交联结构、聚集态结构、分子量与分子量分布等。
一般来说,高分子树脂基体链段有一定柔顺性,同时链段之间相互作用力又较强,分子量较大,结晶度较高,或具有液晶结构的高分子,则耐磨性较好。
高分子涂层还可以通过表面改性来提高耐磨性,如涂层表面氟化处理、表面光聚合、等离子处理等。
通过高能离子辐射,可在几毫米厚的高分子表层产生大量高分子链的交联,形成硬质耐磨表面[19]。
在高分子表面同时注入He+和Ar+,可使耐磨性明显提高;选择离子种类和离子能量,调整离子注入量,可获得所需的表面性能[20]。
4.2 底材的前处理工艺一般高分子涂层涂覆于金属底材表面之前,首先进行底材脱脂和除锈处理,还可以进一步采用化学或物理处理,如喷砂、阳极氧化、电镀、氮化、化学氧化、硫化和磷化等。
有人认为喷砂和磷化并用的效果最好,单纯喷砂次之。
但用于高温环境或发生弹性变形的部件一般不宜磷化处理。
对硬质金属底材应采用粒径为76μm的细砂进行喷砂处理,对软质金属底材采用150μm粗砂较好。
磷化工艺研究表明,磷酸锰柱状细晶比粗晶对提高涂层耐磨性能效果更好[2]。
4.3 固体润滑剂石墨在大气环境中具有固体润滑特性,而在高真空无水环境中不具有这种特性。
石墨与金属底材接触易引起电化学腐蚀,必须在制备涂层过程中考虑这一因素。
MoS2的四种结晶形态中只有一种晶系才有固体润滑性能[10],是高真空环境使用的机械固体润滑剂的首选品种。
在高压、高温、高速下,氟化石墨固体润滑性能优于石墨或MoS2[21]。