表面微織構(gòu)復(fù)合固體潤滑材料摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展

0固體潤滑材料與表面微織構(gòu)材料的復(fù)合摩擦將導(dǎo)致設(shè)備零件故理失敗和系統(tǒng)效率降低，導(dǎo)致能耗增加。摩擦導(dǎo)致的機(jī)械能量損失為10%20%。然而在研究過程中發(fā)現(xiàn)表面微織構(gòu)不僅可以作為液體潤滑劑的儲存器,還可以作為固體潤滑劑或其他功能性材料的儲存器。此復(fù)合方法是將上述現(xiàn)有的減摩手段進(jìn)行綜合處理,即在表面微織構(gòu)內(nèi)填充固體潤滑材料,讓其在使用過程中逐漸釋放出來,起到減摩作用。填充的固體潤滑材料種類也相對較多,如單一固體潤滑材料在研究中發(fā)現(xiàn),表面微織構(gòu)與固體潤滑材料復(fù)合之后,呈現(xiàn)出比單一表面處理方法更優(yōu)的減摩耐磨效果1織構(gòu)表面固體潤滑材料的復(fù)合工藝由于研究者研究領(lǐng)域的不同,并在考慮固體潤滑材料和應(yīng)用工況的基礎(chǔ)上,微織構(gòu)表面固體潤滑材料的復(fù)合工藝也有所不同。目前,復(fù)合工藝種類繁多,如機(jī)械涂覆、熱壓填充、有機(jī)樹脂粘接、氣相沉積等眾多物理和化學(xué)方法,由于復(fù)合工藝的不同,復(fù)合涂層所展現(xiàn)出的摩擦學(xué)性能和使用壽命也有一定的差異。1.1旋轉(zhuǎn)盤式復(fù)合涂層的制備機(jī)械涂覆法是通過反復(fù)的機(jī)械作用力將干燥的固體潤滑材料粉體涂抹在試樣表面,形成潤滑膜,達(dá)到與基體間的物理結(jié)合狀態(tài)。具體操作步驟是先將涂覆布固定在旋轉(zhuǎn)盤上,并將一定量的固體潤滑材料均勻分散在涂覆布上,使經(jīng)過拋光和超聲清洗的試樣與涂覆布上的潤滑材料在一定載荷下對磨,在旋轉(zhuǎn)盤的緩慢勻速轉(zhuǎn)動中制備復(fù)合涂層。Wu等還有研究者在機(jī)械涂覆固體潤滑材料之前,對基體試樣進(jìn)行了預(yù)處理。Rapoport等機(jī)械涂覆法因操作簡單,易于達(dá)到填充效果,是目前應(yīng)用較為廣泛的復(fù)合方法之一,但對固體潤滑劑的填充效果一般,結(jié)合強(qiáng)度不高。1.2試樣表面熱壓成形熱壓填充法是采用加熱和加壓的方法將固體潤滑材料填充于微織構(gòu)表面內(nèi)的處理過程。首先將填充的固體潤滑材料過量的涂覆于已微織構(gòu)加工試樣表面,在一定溫度和壓力下利用熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓成形,制成試樣毛坯。毛坯試樣經(jīng)砂紙拋光去除表面多余的固體潤滑材料,最終制備復(fù)合表面,具體過程如圖1所示Hu等由此看出,采用熱壓填充法可增加固體潤滑材料在微織構(gòu)內(nèi)的存儲量和粘結(jié)強(qiáng)度,所得的摩擦學(xué)效果要好于機(jī)械涂覆法,但熱壓夾具的形狀對其應(yīng)用范圍影響較大,平面試樣可較容易得到加工效果,對于非平面試樣的加工難度較大。1.3粘接劑與固體潤滑材料的協(xié)同作用表面微織構(gòu)內(nèi)的固體潤滑材料的填充方式直接影響著其使用壽命,盡管熱壓填充方法在一定程度上增加了其使用壽命,降低其釋放速率,但研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)樹脂粘結(jié)法,即將環(huán)氧樹脂或其他樹脂類有機(jī)物作為粘接劑與固體潤滑材料混合后填充于微織構(gòu)表面的方法,表現(xiàn)更佳的作用時效,使用壽命也有所提高。通常,粘結(jié)法先將粘接劑與固體潤滑材料按不同質(zhì)量比混合均勻,涂覆于已加工試樣表面,之后經(jīng)過一定時間的冷凝壓制或熱壓成形,制成試樣毛坯,最后經(jīng)砂紙研磨、拋光,加工成摩擦磨損試樣?；蛘邔⒃嚇咏氲浇?jīng)丙酮稀釋的粘接劑與固體潤滑材料的懸浮液中,靜置一段時間,取出后放入干燥箱依次進(jìn)行低溫保溫固化,高溫保溫固化,制成試樣。因此,有學(xué)者把樹脂類材料與固體潤滑材料混合在一起封裝在表面微織構(gòu)內(nèi),研究其協(xié)同作用下的摩擦學(xué)性能,并取得了一定的成果。表1總結(jié)了部分不同樹脂與固體潤滑材料在微織構(gòu)內(nèi)的協(xié)同作用效果。尹延國盡管目前缺少有機(jī)樹脂粘結(jié)法與上述兩種加工方法在同一條件下的對比,但從現(xiàn)有的試驗數(shù)據(jù)來看,有機(jī)樹脂粘結(jié)法仍能較大的改善試樣的摩擦學(xué)性能。1.4照成膜機(jī)理分類氣相沉積法是利用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)反應(yīng),在工件表面形成功能性或裝飾性的金屬、非金屬或化合物涂層。氣相沉積法按照成膜機(jī)理,可分為化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積和等離子體氣相沉積。表2總結(jié)了使用物理氣相沉積法在表面微織構(gòu)內(nèi)填充固體潤滑材料的作用效果。Deng氣相沉積技術(shù)在基體表面得到的潤滑涂層細(xì)致、緊密,與表面微織構(gòu)復(fù)合之后,微織構(gòu)對涂層的錨定作用,使得涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度也進(jìn)一步提高。由此看出,此種復(fù)合工藝對工作于重載條件下的摩擦副具有較好的指導(dǎo)意義。1.5其他處理方法除上述復(fù)合工藝方法之外,還有一些其他的處理方法,不過針對這些處理方法的文獻(xiàn)相對較少。Li等2摩擦學(xué)性能促進(jìn)因素表面微織構(gòu)內(nèi)填充固體潤滑材料比單一的處理方法達(dá)到更優(yōu)的摩擦學(xué)性能,并可針對不同的工況發(fā)揮不同的作用。摩擦學(xué)性能的改善主要取決于表面微織構(gòu)的參數(shù)以及所填充的固體潤滑材料的種類。2.1表面微紡結(jié)構(gòu)參數(shù)對摩擦學(xué)性能的影響表面微織構(gòu)參數(shù),如微織構(gòu)的形狀、尺寸、微織構(gòu)底面形狀以及微織構(gòu)的密度等2.1.1影響微紡結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)圖2展示了部分微織構(gòu)的幾何形狀參數(shù)。表3總結(jié)了部分微織構(gòu)幾何形狀參數(shù)對復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)的摩擦學(xué)性能影響。Wu2.1.2復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)的減摩效果表4總結(jié)了部分微織構(gòu)尺寸和密度對復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)的摩擦學(xué)性能影響。黃仲佳除微織構(gòu)尺寸外,微織構(gòu)的密度也對復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)的摩擦學(xué)性能有較大的影響。Meng等上述研究結(jié)果表明織構(gòu)密度對試樣表面的減摩性能存在一個最優(yōu)值,但Qin等由此可知,微織構(gòu)的幾何形狀對復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)的減摩效果相當(dāng);但微織構(gòu)的尺寸和密度對復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)的減摩效果影響較大,所以目前大多數(shù)研究都是對微織構(gòu)尺寸和密度的優(yōu)化。這和表面微織構(gòu)參數(shù)對單微織構(gòu)表面摩擦學(xué)性能的影響有所不同。對單微織構(gòu)摩擦表面,微織構(gòu)的形狀,如三角形另外,針對不同材質(zhì)的基體,復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)對微織構(gòu)的尺寸和密度的優(yōu)化規(guī)律并不統(tǒng)一。對于普通硬度的基體,如鑄鐵、鋼等,微織構(gòu)密度存在一個最優(yōu)質(zhì);而對于硬度較高的基體,如陶瓷,微織構(gòu)密度則是越大越好。眾所周知,織構(gòu)化會減少摩擦副之間的接觸面積,對于普通硬度材料表面,在一定負(fù)載下,織構(gòu)密度太高,盡管儲存固體潤滑劑較多,但試樣表面承載能力隨之下降,所以存在一個最優(yōu)值。而對于硬質(zhì)加高的材料表面,其表面本身的承載能力較高,而織構(gòu)密度越高,儲存的固體潤滑劑量越多,所起到的減摩效果就會越好。2.2同工況下的摩擦學(xué)性能除表面微織構(gòu)的參數(shù)對復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能有一定的影響之外,復(fù)合技術(shù)所填充的固體潤滑材料對不同工況下的摩擦學(xué)性能也起到至關(guān)重要的作用。根據(jù)固體潤滑材料物性的不同,可分為金屬基固體潤滑材料和非金屬基固體潤滑材料。金屬基固體潤滑材料因其高剪切強(qiáng)度、穩(wěn)定好等特點常用在高溫、高載等苛刻的工況中;非金屬基固體潤滑材料因其良好的低溫性能、耐腐蝕等特點常用在低溫、腐蝕等環(huán)境中。2.2.1金屬軟件在金屬基固體潤滑材料中,MoSGajrani2.2.2多元復(fù)合潤滑材料在非金屬基固體潤滑材料中,聚酰亞胺(PI)、碳納米管、石墨和聚四氟乙烯(PTFE)等材料因其較低的摩擦因數(shù)被廣泛應(yīng)用。華希俊等綜上可以看出,為了擴(kuò)大復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)的使用領(lǐng)域,微織構(gòu)填充多元復(fù)合潤滑材料已經(jīng)成為共識。目前常用的多元潤滑材料配方仍是以工程中常用的固體潤滑材料為主,如MoS3使用壽命方面表面微織構(gòu)與固體潤滑材料復(fù)合之后在減摩、耐磨、膜層使用壽命方面表現(xiàn)出較好的性能。目前,大多數(shù)研究內(nèi)容僅關(guān)注在減摩效果上,對其減摩的機(jī)制研究相對較少,并且不同的研究人員對于復(fù)合技術(shù)的減摩機(jī)制也有著不同的理解。3.1固體潤濕材料的擠出成膜磨速機(jī)制黃仲佳等而Li等3.2充填材料的熱性能Zhang等金梅等由此可以看出,微織構(gòu)表面封裝潤滑材料復(fù)合技術(shù)的減摩效果在很大程度上取決于填充材料的減摩特性以及其釋放特性。表面微織構(gòu)內(nèi)封裝不同類型的固體潤滑材料具有不同的減摩機(jī)制。固體粉末類固體潤滑材料主要依靠對磨摩擦副的擠壓、刮磨作用鋪展至摩擦副表面;而凝固樹脂類及固體膏狀類混合固體潤滑材料則主要依靠摩擦熱產(chǎn)生的膨脹行為外溢至摩擦副表面,進(jìn)而產(chǎn)生減摩效果。4微織構(gòu)表面潤滑材料的釋放機(jī)理和復(fù)合方法的應(yīng)用表面微織構(gòu)復(fù)合固體潤滑材料技術(shù)作為一種集成了已有各減摩手段優(yōu)點的復(fù)合技術(shù)比單一表面處理方法有著更優(yōu)的減摩耐磨效果。它將固體潤滑材料的潤滑、耐磨、耐高溫等性能與表面微織構(gòu)儲存潤滑劑、磨屑等特點結(jié)合在一起,發(fā)揮了摩擦副中多組元協(xié)同作用功效,是改善摩擦副摩擦學(xué)性能一種有效方法。但從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及作者前期對表面微織構(gòu)與潤滑材料復(fù)合技術(shù)的研究結(jié)果來看,未來應(yīng)著重從以下4方面對其開展相應(yīng)的研究。(1)表面微織構(gòu)與固體潤滑材料的復(fù)合工藝。復(fù)合工藝對固體潤滑材料的作用時效起到至關(guān)重要的作用,并直接影響其摩擦學(xué)性能。由于潤滑油或潤滑脂的浸潤會加速微織構(gòu)內(nèi)固體潤滑材料的釋放,導(dǎo)致固體潤滑材料的作用時效大大降低,而目前復(fù)合工藝的研究多在干摩擦條件下進(jìn)行,尚缺少油潤滑或脂潤滑下條件下的復(fù)合工藝的研究。再者還應(yīng)開展特殊形貌的微織構(gòu)及表面微織構(gòu)分布對摩擦學(xué)性能的影響,以及針對于不同溫寬、不同濕度以及真空等特殊工況條件下的潤滑材料配方、表面處理技術(shù)、粘結(jié)成型工藝及摩擦學(xué)性能的研究。(2)微織構(gòu)內(nèi)封裝固體潤滑材料的釋放性問題。由于固體潤滑材料在微織構(gòu)內(nèi)粘結(jié)不牢固,導(dǎo)致多數(shù)研究對固體潤滑材料的作用時效沒有提及,即對固體潤滑材料在微織構(gòu)內(nèi)的釋放行為,特別是在混合和油潤滑條件下的釋放行為缺少研究。比如通過測量不同運轉(zhuǎn)時間內(nèi)微織構(gòu)內(nèi)潤滑材料的殘余量來研究其釋放行為。目前,為增加固體潤滑材料在微織構(gòu)內(nèi)的粘結(jié)性能,減緩其釋放速率,在填充固體潤滑材料同時添加硅烷偶聯(lián)劑或具有粘結(jié)性能的潤滑材料對其改性,以實現(xiàn)封裝固體潤滑材料的緩慢釋放。因此,探尋具有改性或粘結(jié)性能的固體潤滑材料是解決固體潤滑材料快速釋放的關(guān)鍵。(3)固體潤滑材料的種類和表面微織構(gòu)協(xié)同作用的機(jī)理。目前研究人員普遍認(rèn)為復(fù)合技術(shù)的減摩機(jī)制是利用固體潤滑材料的潤滑作用和微織構(gòu)的搜集磨粒作用,對于表面不同結(jié)構(gòu)的織構(gòu)形貌與摩擦學(xué)性能之間的耦合作用,多種功能性材料的多元協(xié)同作用的需進(jìn)一步加強(qiáng)分析