固体_油脂复合润滑_类金刚石_DLC_薄膜在几种空间用油脂润滑下的摩擦学性能

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摩 擦 学 学 报
第 Hale Waihona Puke Baidu0 卷
空间和信息技术的迅猛发展要求润滑材料具有 超薄 、 低摩擦 、 长寿命特性 , 并要求具有高可靠性与 稳定性 . 美国 NASA 和欧洲 ESA 都十分重视复合薄 膜材料在降低摩擦磨损 、 延长运动部件寿命方面的 研究工作 ,认为这将是发展长寿命 、 高可靠性空间飞 行器运动部件的重要技术途径 . 国内外研究表明 , DLC 薄膜是最具吸引力的新一代低摩擦固体润滑薄 [1 - 3] 膜材料 . DLC 薄膜由于具有较高硬度 、 良好的化学惰性 、 [4 - 6] 生物相容性及独特的光学性能 , 尤其是良好的 [7 - 8] 机械和润滑性能 , 因此在轴承 、 齿轮 、 磁盘及微 电子机械系统 (M EM S)等方面显示了良好的应用前 景 . 同时 , DLC 薄膜也存在以下不足 : 如较高的内应 力、 韧性较差以及其摩擦学性能表现出较强的环境 [ 9 - 10 ] 敏感性等 . 目前 , DLC 薄膜的内应力和韧性已 [ 11 - 17 ] 经通过掺杂和过渡得以改善 ,而其摩擦学性能 的环境敏感性是由其本身结构决定 ,较难克服 . 鉴于 DLC 薄膜具有良好的化学惰性 , 设想在 DLC 薄膜表面涂覆 1 层液体润滑剂 , 这样既可以隔 绝 DLC 薄膜与环境直接接触 , 降低其对环境的敏感 性 ,又可为液体润滑剂起到承载作用 ,这种双效润滑 可能会同时起到降低摩擦 、 延长使用寿命的作用 . 关 [ 10 - 11, 17 ] 于 DLC 薄膜本身的摩擦学性能研究已较多 , 这里不再讨论 . 本文主要探讨了 DLC 薄膜在几种空 # 间常用的液体润滑剂甲 基氯 苯基硅 油 ( 114 润滑 # 油 )、 氟丙基氯苯基硅油 ( 115 润滑油 ) 、 聚 α - 烯烃 [ PAO ( 201 )润滑油 ]、 全氟聚醚 ( Z - 25 润滑油 ) 以 及对应的润滑脂 KK - 4、 KK - 5、 KK - P ( 201 ) 和
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摘 要 : 本文主要探讨了类金刚石 (D iamond - like carbon, 简称 DLC)薄膜在几种空间常用的液体润滑剂如甲基氯 苯基硅油 ( 114#润滑油 ) 、 氟丙基氯苯基硅油 ( 115#润滑油 ) 、 聚 α - 烯烃 [ PAO ( 201 ) 润滑油 ]、 全氟聚醚 ( Z - 25 润滑 油 )以及对应润滑脂 KK - 4、 KK - 5、 KK - P ( 201 )和 601EF润滑下的摩擦学性能 . 结果表明 : DLC 薄膜与试验选用的 油脂复合后表现出良好的协同效应 . 与 DLC薄膜相比 ,其减摩性能得到不同程度的改善 ,摩擦系数降低 2 ～6 倍 ; 其 耐磨寿命提高了 10 多倍 ,起到了明显的延寿作用 . 关键词 : DLC薄膜 ; 固体 - 油脂复合润滑 ; 边界润滑 ; 摩擦磨损 中图分类号 : TH117. 3 文献标志码 : A 文章编号 : 1004 - 0595 (2010) 03 - 0217 - 06
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Received 17 October 2009, revised 31 January 2010, accep ted 10 February 2010, available online 28 M ay 2010.
3 Corresponding author . Tel . : + 86 - 931 - 4968236, E - mail: jyhao@ licp. cas . cn
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Fig . 1 Friction coefficients of DLC film s under lubrication of oils in air speed 9 m /m in, load 3 N
图 1 DLC薄膜在油润滑条件下的摩擦系数
(滑动速度 9 m /m in,载荷 3 N )
Solid L ubr ica ti n g F ilm /O il or Grea se Complex System II : Tr ibolog ica l Properties of DLC F ilm Coa ted w ith Space O ils and the Rela ted Grea ses
601EF润滑条件下的摩擦学性能 , 以考察它们之间
脂 KK - 4、 KK - 5、 KK - P ( 201 ) 和 Castrol 601EF 润 滑脂 . 分别取上述液体润滑剂适量 ,将其分别均匀涂 覆于制备好的 DLC 薄膜表面 , 涂覆膜的厚度不超过
1. 0 mm ,制得固体 - 油脂复合润滑薄膜 . 1. 3 摩擦学性能测试及表面分析
formulated by PTFE powders, code as KK - 4 grease, KK - 5 grease, KK - P ( 201 ) grease and 601EF grease were synthesized or p repared. Friction and wear p roperties of the DLC fil m as well as the DLC fil m coated w ith 114 oil, 115 oil, PAO (201) oil PFPE oil or KK - 4 grease, KK - 5 grease, KK - P ( 201) grease and 601EF grease were investigated on a UM T - 2M T tribo - meter . The worn surfaces of the film were observed by a M icro - XAM three - dim ensional p rofilometer . It was found that the starting friction coefficient, steady friction coefficient and the wear life of DLC dry - film were about 0126, 0. 12 and 600 m , respectively . The friction and wear p roperties of solid lubricating DLC film /oil or grease comp lex lubrication system s were much better than that of DLC dry - film. The friction coefficient reduced by about 2 to 6 tim es compared to that of DLC dry - film , and their wear life increused more than 10 tim e as compared to pure DLC film , exceeded 7560 m. The comp lex lubrication system s exhibit excellent friction and wear perfor mance, and are potentional good lurbricating system for space industry . Key words: DLC film , solid film /oil or grease composite lubrication, boundary lubrication, friction and wear
第 3期
郝俊英 ,等 : 固体 - 油脂复合润滑 Ⅱ: 类金刚石 (DLC )薄膜在几种空间用油脂润滑下的摩擦学性能
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从图 1 可以看出 ,与 DLC 薄膜干摩擦相比 , DLC 薄膜在各种油润滑条件下的起始摩擦系数和稳态摩 擦系数均得到明显改善 . 就起始摩擦系数而言 , DLC # # 薄膜在 PAO ( 201 ) 、 114 、 115 和 Z - 25 油润滑条件 下的起始摩擦系数分别为 0. 056、 0. 084、 0. 085 和
用 UM T - 2M T往复式球 - 盘微摩擦磨损试验 机评价薄膜的摩擦磨损性能 . 试验条件为大气 (相对 湿度 RH 40% ～42% ) ,室温 ( 20 ～25 ℃) 环境 ,对偶 件采用 < 3 mm 的 GCr15 钢球 ,载荷为 3 N ,滑动速度 为 9 m /m in. 摩擦系数均为相同试验条件下 3 次重复 试验测量结果的平均值 , 以摩擦系数发生突变时所 经历的往复滑动次数表征薄膜的耐磨损寿命并以此 评价其耐磨性能 . 将 DLC 薄膜表面油脂清洗后 , 用 M icro - XAM 三维轮廓仪对其磨痕表面形貌进行了分析 . DLC 薄膜在油脂润滑下的磨损率 (W ) 计算公式 如下 :
第 30 卷 第 3期 2010 年 5 月
摩 擦 学 学 报
Tribology
Vol . 30 No. 3 M ay, 2010
固体 - 油脂复合润滑 Ⅱ:类金刚石 ( DLC)薄膜 在几种空间用油脂润滑下的摩擦学性能
郝俊英 ,王 鹏 ,刘小强 ,刘维民
(中国科学院 兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室 ,甘肃 兰州 730000 )
HAO Jun - ying , WANG Peng, L IU Xiao - qiang, L IU W ei - m in
( S ta te Key L abora tory of S olid L ubrica tion, L anzhou Institu te of Chem ica l Physics, Ch inese A cadem y of S ciences, L anzhou 730000, Ch ina )
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Abstract: DLC film was p repared by magnetron - sputtering . Lubricants used at space technology, i . e. chlorophenyl # butyl w ith methyl term inated silicon oil ( code as 114 oil) , trifluorinated - butyl w ith methyl term inated silicon oil ( code as # 115 oil) , poly - α - olefin ( code as PAO (201) oil) , perfluorinated polyether ( code as PFPE oil) , and the related grease
Z - 25润滑油润滑条件下的起始摩擦系数和稳态摩
的匹配性 .
擦系数如图 1 所示 .
1 实验部分
1. 1 DLC 薄膜制备
试验选用 N ( 100 )型单晶硅片为基材 ,表面粗糙 度 R a 约为 0. 02 μm , 纳米硬度约为 11 GPa; 用无水 乙醇和丙酮各超声清洗 20 m in, 吹干后装入镀膜装 置 ,采用中频磁控溅射制备 DLC 薄膜 . 制备过程见 文献 [ 18 ]. 所得 DLC 薄膜表面光滑 , 表面粗糙度 R a 约为 0. 02 ～0. 03 μm ,厚度约为 900 nm ,纳米硬度约 为 21 GPa. 1. 2 固体 - 油脂复合润滑薄膜的制备 试验用液体润滑剂分别为空间用 114 润滑油 、 # 115 润滑油 、 PAO ( 201 ) 润滑油 、 Z - 25 润滑油以及 与之相对应的用聚四氟乙烯颗粒稠化剂稠化的润滑
W = S N ・L ( 1)
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式中 : S 表示磨痕的磨损体积 , 单位为 mm , N 表示摩擦时的载荷 ,单位为 N , L 表示摩擦全长行程 , 单位为 m.
2 结果与讨论
2. 1 DLC 薄膜在油和脂润滑下的摩擦系数 DLC 薄膜在本试验条件下的起始摩擦系数和稳
态摩擦系数均较高 ,分别为 0. 26 和 0. 12. DLC 薄膜 # # 在 114 润 滑油 、 115 润滑油 、 PAO ( 201 ) 润滑 油 和