金屬基自潤滑復合材料固體潤滑劑研究進展

鄒 芹,王 鵬,徐江波,李艷國

(1.燕山大學 機械工程學院,河北 秦皇島 066004;2.燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

0 引言

固體潤滑劑[1]是金屬基自潤滑復合材料的重要組成部分,在金屬基自潤滑復合材料中的應用具有很長的歷史。早在19世紀初期[2-3],石墨和Pb已經作為潤滑劑用于低速運轉的機器上。20世紀30年代,添加固體潤滑劑的鐵基自潤滑軸承在德國出現。20世紀60年代,添加MoS2的金屬基自潤滑復合材料逐漸產生,并對超音速飛機的問世起到了重要的推動作用[4]。到目前為止,由于固體潤滑劑可在一些特殊工況下(見表1)起潤滑作用,這對高新技術的發展起到了重要的推動作用[5]。

表1 固體潤滑劑的適用場景Tab.1 Applicable scenaries of solid lubricants

金屬基自潤滑復合材料固體潤滑劑種類很多,包括無機層狀固體潤滑劑、金屬及其化合物、MAX金屬陶瓷、有機物固體潤滑劑、多元復合固體潤滑劑等,其各有優缺點,且仍處于不斷發展階段。

1 無機層狀固體潤滑劑

1.1 石墨

石墨價格低廉,在潮濕環境中由于水的氫離子和氫氧根離子的飽和導致層間范德華鍵減弱,從而促進了層間分裂,在金屬表面形成一層具有減摩作用的潤滑膜[6],使得其可在潮濕環境提供有效潤滑。目前,石墨作為金屬基自潤滑復合材料固體潤滑劑的研究主要集中在改善不同鋼種在不同工業應用中的摩擦磨損性能上,而制備時石墨與部分金屬基體(Cu、Al等)潤濕性較差,導致兩者界面結合變差,影響復合材料的力學性能以及摩擦學性能,另外使用過程中產生的高溫會導致石墨氧化和燒蝕,嚴重影響潤滑效果[6-8]。對石墨進行金屬化改性,如采用金屬(Ni、Cu等)包覆石墨的辦法,能有效改善石墨與基體的界面結合,同時防止石墨氧化和腐蝕,改善石墨高溫潤滑效果,從而提高復合材料摩擦學性能,擴大使用范圍。張鑫等[9]采用Cu包覆石墨制備了Cu基粉末冶金摩擦材料,其材料表面形成的摩擦膜主要為氧化膜,而采用普通石墨時,由于材料表面較多的石墨會抑制氧化反應,會形成石墨膜,其對材料表面的保護效果不及氧化膜。但相對于原基體,兩種材料摩擦性能均有明顯提高。Zhao等[10]證明了石墨與青銅無法充分潤濕,而加入Ni或Cu包覆石墨的復合材料可以明顯提高石墨與基體的結合性,Ni包覆石墨青銅基材料具有更穩定的摩擦系數、更低的磨損率、更高的維氏硬度,包覆石墨的Ni也可以提高復合材料的耐蝕性。牛志鵬等[11]發現加入鍍Ni石墨可以降低石墨與Al的潤濕角,提高基體的力學性能,降低復合材料的摩擦系數和磨損率,使金相組織變得更加致密。但石墨表面光滑且親水性差,難以實現完全包覆。羅虞霞等[12]發現,采用機械化整形處理石墨表面,可以獲得更為完整的Ni包覆層。冀國娟等[13]發現,在石墨表面進行微氧化以及在化學包覆反應溶液中加入醇類表面活性劑,均可提高包覆率。

綜上,采用金屬包覆石墨作為固體潤滑劑可顯著提高其高溫潤滑特性。然而,石墨表面包覆金屬層的完整性是決定其潤滑性能的關鍵因素。故進一步提高石墨表面包覆金屬層的完整性以及連續性將繼續成為研究的重點。

1.2 BN

BN導電性能強、熱穩定性高,在大氣環境中適用溫度為500～800 ℃,是高溫自潤滑材料的優良潤滑劑。其潤滑機理為[14-15]:高于500 ℃時,BN會在摩擦過程中剝落而轉移到摩擦表面形成潤滑膜,起減摩作用。蔣冰玉等[16]以Ni-Cr合金為基體材料,BN為固體潤滑劑,制備出燃氣輪機中減摩耐磨用的高溫自潤滑復合材料。目前,盡管BN是一種人們熟知的高溫固體潤滑劑,但由于其存在有效性差、不可潤濕等問題,使得人們對于BN單獨應用在金屬基自潤滑復合材料上的報道較少,其常與其他固體潤滑劑協同潤滑[17]。

2 金屬及其化合物

2.1 金屬

常見的金屬固體潤滑劑有Pb、Al、Ag、Au、Sn、Bi、In等,其具有純度高、原料易得、低溫環境不會喪失潤滑性能等優點。金屬固體潤滑劑在強輻射、真空、低溫等極端工作條件非常適合作為金屬基自潤滑復合材料的固體潤滑劑使用,常與Cu、Al、TiAl等金屬基體組成復合材料。其潤滑機理為:在摩擦熱的作用下,由于熱膨脹系數不同,金屬逐漸從基體內擴散到摩擦表面形成潤滑膜,起減摩作用,但其適用環境受溫度限制嚴重。

Yao等[18]發現,在200 ℃時,Ag在剪切應力作用下擴散到摩擦表面,起減摩耐磨作用。但在600 ℃時Ag完全失去潤滑作用(圖1)。Dong等[19]發現,Cu-24Pb-xSn合金的自潤滑性能和力學性能隨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數變化為特征的粘滑現象。李聰敏等[20]以 Al-Cu-Mg合金為基體,添加低熔點組元Bi后合金抗咬合能力明顯提升,發現帶狀富Bi相涂覆在磨損表面,起到減摩自潤滑作用。

圖1 TiAl基自潤滑復合材料磨損表面的微觀結構演變示意圖Fig.1 Schematic diagram of microstructure evolution of wear surface of TiAl based self-lubricating composite

金屬在強輻射、真空、低溫等極端環境仍具有潤滑特性,但是也存在著一些缺點,如:Pb本身有毒,對人體和環境都有危害,Ag、Au、In等金屬作為固體潤滑劑時成本太高;金屬在空氣中暴露的時間過長時,易發生氧化反應,影響潤滑效果。

2.2 金屬氧化物

常見的金屬氧化物固體潤滑劑有PbO、CuO、MoO3、SnO、ZnO等。

金屬氧化物是最早應用的高溫固體潤滑劑,常與Fe、Ni、NiAl等金屬基體組成復合材料。由于金屬氧化物具有較低的剪切強度,可有效避免摩擦過程中的咬合現象。Peterson等[21]考察了大量氧化物的高溫摩擦學特性,發現PbO等少數氧化物可實現較寬溫度范圍內的有效潤滑。但是,由于PbO危害環境,國外已限制其應用。Zhu等[22]通過PM制備了添加氧化物(ZnO/CuO)的NiAl-C-Mo自潤滑材料,發現氧化物在低溫時幾乎不起減摩作用。但當溫度達到600 ℃時,磨損表面形成了ZnO、CuO和MoO3層,表現出了良好的減摩耐磨效果。結果表明,金屬氧化物在高溫時潤滑效果顯著。但是,目前關于二組元氧化物的潤滑機理還未得到統一。

2.3 金屬氟化物

常見的金屬氟化物固體潤滑劑有CaF2、BaF2、LaF3等。

金屬氟化物熱穩定性良好,從500 ℃到1 000℃的溫度范圍都能起到良好的減摩耐磨作用,其原因主要為金屬氟化物在500 ℃時經歷了由脆性到塑性的轉變。Longson[23]發現,CaF2和BaF2具有良好潤滑性的原因是其在摩擦過程中由脆性向塑性轉變以及氟元素與金屬表面發生化學反應的共同作用。盡管對CaF2和BaF2潤滑機理進行了大量研究,但是對于其轉移潤滑機理的全面認識還有賴于進一步研究。

綜上,由于金屬氟化物特殊的潤滑機制導致其在低溫時不提供潤滑,故單獨采用金屬氟化物作為金屬基自潤滑復合材料固體潤滑劑的報道很少,其多與石墨、Ag等固體潤滑劑復合使用,達到寬溫度范圍有效潤滑的目的。

2.4 金屬硫化物

常見的金屬硫化物固體潤滑劑有MoS2、WS2、FeS、CrS等。

MoS2屬于六方晶系,具有層狀結構,常與Fe、Al、Ag等金屬基體組成復合材料。MoS2在大氣環境中適用溫度可達350 ℃,潤滑機理與石墨相似,由于具有低摩擦、低接觸電阻等優點,廣泛用作航空、航天機構中的滑動電接觸材料[24]。WS2因其良好的熱穩定性和抗氧化性而廣泛應用于高溫環境。研究表明[25-27],在大氣環境中通過在金屬基體中摻入MoS2或WS2顆?？娠@著提高Ni[25]、Al[26]、Fe[27]等金屬基復合材料的摩擦學性能,使其滿足使用要求。但是,MoS2和WS2會因大氣濕度高、氧氣的存在以及高溫而導致潤滑性能降低。通過摻雜金屬或無定形碳可以保護MoS2邊緣位置免受氧化,從而提高MoS2和WS2在潮濕或較高溫度條件下的摩擦學性能。Rigato等[28]發現在MoS2層狀結構中摻雜Ti增加了MoS2層間距離,從而改善了其摩擦學性能。此外,研究發現,在MoS2層狀結構中摻雜Ni[29]、Cu[30]等金屬可提高復合材料在潮濕環境和真空條件下的摩擦磨損性能。FeS與MoS2相比,具有優異的耐高溫特性,因其較疏松的鱗片狀結構能儲存潤滑油,可進一步提升潤滑性能。尹延國等[31]發現FeS/Cu基復合材料在在干摩擦過程中,FeS顆粒聚集在摩擦表面形成一層硫化物固體潤滑膜,具有較好的減摩、抗粘著作用,在油潤滑條件下,潤滑油膜和FeS固體潤滑膜可以起協同潤滑作用。Lu等[32]采用NiCr/Cr3C2和WS2粉末在Ti6Al4V基體上激光熔覆制備了Ti2SC/CrS自潤滑耐磨復合涂層,由于原位合成的自潤滑Ti2SC和CrS的存在,自潤滑抗磨復合涂層顯示出比不添加WS2粉末的抗磨復合涂層更好的摩擦學性能。

綜上,MoS2和WS2在高溫真空條件下具有優良的潤滑特性,被認為高溫真空條件下的首選固體潤滑劑。在大氣環境中,溫度低于350 ℃時,金屬基-MoS2自潤滑材料表現出優異的摩擦學性能。但是,MoS2在大氣環境中高溫時容易發生氧化[29-30],限制了其應用環境。故如何進一步提高MoS2在潮濕和較高溫度條件下的摩擦學性能將繼續成為研究的重點。

2.5 金屬硒化物

常見的金屬硒化物固體潤滑劑有NbSe2。

NbSe2導電性能優異,相對摩擦系數低,常與Ag、Cu[33-34]等金屬基體組成復合材料,廣泛應用于電接觸領域。早在20世紀80年代,美國NASA便采用Ag-NbSe2自潤滑材料來制作衛星上的電刷,并取得良好效果。Ag-NbSe2自潤滑材料具有良好潤滑性能的原因[33]為在摩擦熱和變形擠壓的共同作用下,部分NbSe2轉移到摩擦表面,形成了NbSe2潤滑膜,起減摩作用。孫建榮等[34]發現,高負載、真空條件下,添加纖維狀NbSe2的Cu-石墨復合材料摩擦系數遠低于原復合材料。因此,NbSe2常作為真空條件下的固體潤滑劑使用。

3 MAX金屬陶瓷

MAX 金屬陶瓷因為其原子結構和獨特的化學鍵特性,使MAX 金屬陶瓷兼具金屬和陶瓷的優點,如高硬度、高彈性模量,具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性、導電導熱性、輻照性能、高溫機械和摩擦學性能等[35]。理論計算約有600余種能穩定存在的三元MAX 金屬陶瓷,如今可以通過實驗合成80多種[36],如Ti3SiC2、Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti2AlN、Ta2AlC等。目前,除Ti3SiC2和Ti3AlC2外,對于其他MAX 金屬陶瓷應用于金屬基自潤滑復合材料的研究鮮有報道。

在材料基體中添加一定量的Ti3SiC2/ Ti3AlC2顆粒潤滑相能夠顯著提升金屬基體的摩擦學性能。研究表明[37-39]不同溫度下的微觀結構以及反應產物對Ti3SiC2、Ti3AlC2的潤滑性能有重要的影響。Zou等[38]用放電等離子燒結制備Ti3SiC2增強TiAl基復合材料,Ti3SiC2均勻分布在TiAl基質中,部分分解形成Ti5Si3和TiC,室溫摩擦時復合材料表面形成Ti3SiC2潤滑膜,550 ℃摩擦時形成Fe-Ti-Al-Si-氧化物潤滑膜,起潤滑作用。朱咸勇等[39]發現,當試驗溫度低于400 ℃在輕載條件下難以形成穩定氧化物潤滑膜,其潤滑特性主要依賴于特殊的層狀形貌,而試驗溫度超過500 ℃會促使材料表面形成氧化物潤滑膜,起到減摩耐磨的作用。同時,MAX 金屬陶瓷添加量對復合材料摩擦學性能影響較為顯著。陳海吉[40]使用放電等離子燒結制備Ti3AlC2/Cu復合材料,研究表明,隨著Ti3AlC2添加量增加,復合材料摩擦磨損性能得到提高。研究發現當含量過高時會導致其致密度降低,影響摩擦學性能。燒結溫度對MAX金屬陶瓷自潤滑復合材料性能也有重要影響。Zhou等人[41]發現燒結溫度在900 ℃以上時,在Cu和Ti3SiC2界面會形成Cu、TiCx、Ti3SiC2和CuxSiy混合區從而提高系統的潤濕性和耐磨性。

綜上,MAX金屬陶瓷應用在摩擦材料的大多數情況下,由于摩擦過程中形成的氧化物潤滑膜具有特殊的層狀結構,使復合材料潤滑效果更好。另外,表面改性以及較高的燒結溫度可進一步提高其潤滑效果。

4 有機固體潤滑劑

除上述固體潤滑劑外,還有一類性能優越、可用于極端環境(真空、強輻射)條件下的單一固體潤滑劑-有機固體潤滑劑。有機固體潤滑劑種類很多,如聚四氟乙烯(PTFE)、三聚氰胺氰尿酸鹽(MCA)等,但較低的適用溫度(-270～275 ℃)限制了其在金屬基復合材料中的應用。

PTFE是所有聚合物中摩擦系數最低的[42]。其抗剪切強度較低,受剪切力時聚合物鏈脫開,可提供潤滑作用。同時,由于含F外殼的存在,其抗咬合性優異,常采用電沉積法與Ni[43]、Fe[44]等金屬基體組成復合材料。MCA潤滑特性與MoS2相似,滑動面間極易受力斷裂,提供潤滑作用。Tang等[43]發現,由于潤滑轉移層的存在,Ni-Co-PTFE復合材料顯示出良好的摩擦學性能(摩擦系數0.08)。Xiang等[44]則指出PTFE的低摩擦系數以及40Cr鋼的高強度是40Cr鋼-PTFE復合材料具有良好摩擦學性能的重要原因。但是PTFE的力學性能較差,線膨脹系數大,故將PTFE用作固體潤滑材料時通常要添加填充物對其進行改性或對金屬基體進行陽極氧化處理[45]。魏羥等[46]用Pb粉、石墨、玻璃纖維填充 PTFE制成Cu基鑲嵌型關節軸承材料,顯示出較好的摩擦磨損性能。但李同生等[47]發現,與含鉛PTFE鑲嵌軸承相比,無鉛PTFE鑲嵌軸承在工作時所形成的潤滑膜最為完整、均勻,耐磨性更好。同時,對金屬基體進行陽極氧化處理改性可進一步提高PTFE與基體金屬基體的附著性[45]。

綜上,添加填充物對PTFE進行改性或對金屬基體進行陽極氧化處理可大大提高復合材料的機械和摩擦學性能。

5 碳納米材料固體潤滑劑

近年來,納米技術的快速發展推動了金屬基自潤滑復合材料的開發,出現了新型碳納米材料固體潤滑劑,例如碳納米管(CNTs)、石墨烯(GPLs)等。由于其尺寸小,容易進入摩擦接觸區域,形成保護摩擦膜,產生自潤滑效應。同時,界面以下的新型碳納米材料還可以防止應力集中而引發的嚴重磨損。

5.1 碳納米管

CNTs具有良好的潤滑特性,被認為是金屬基自潤滑復合材料中石墨的替代品。在這方面,有相關報道稱已經成功開發了用于汽車工業的CNTs-金屬基自潤滑復合材料[48]。

Orowan環化機制以及CNTs與金屬基體之間熱膨脹失配所產生的位錯在增強Al/Cu-CNTs復合材料中起著重要作用[49]。為達到預想的潤滑效果,CNTs在基體中的均勻分布以及界面調控就顯得尤為重要。對此,研究者們做了大量的工作。2004年,Noguchi等[50]開發了一種新方法制備復合材料,首先讓CNTs均勻分布在彈性體基體內,然后用Al來置換彈性體基體,從而保證CNTs均勻分布在Al基體內。2019年,周川等[51]采用混酸處理、分子水平法結合行星球磨兩步混合工藝成功制備出Cu-CNTs復合粉末。混酸處理將含O官能團成功引入CNTs表面,提高了CNTs與基體的界面結合。以上研究均表明,均勻分布的CNTs可顯著提高材料的機械和摩擦學性能。

5.2 石墨烯片

GPLs是目前已知最薄、最硬、導電性能最好的材料,具有良好的潤滑特性,同時,可以通過晶粒細化、位錯強化和應力轉移來提高復合材料強度[52]。

在過去的十多年里,絕大多數報道均表明在基體中均勻分布且結合良好的GPLs能夠明顯改善金屬基復合材料的摩擦學性能。但是,聚集狀態的GPLs增強效果較差,與石墨薄片幾乎無差別。研究表明[53-55],不同的因素(例如GPLs的類型、含量、基體材料、混料方法和球磨時間等)會顯著影響GPLs在金屬基體中的分散性。為了保證GPLs均勻地分散在基體中,部分研究者在粉體混合工藝中采用氧化石墨烯代替石墨烯,先得到均勻混合的氧化石墨烯/合金粉體,再通過氧化石墨烯的熱還原性質得到高度均勻的還原石墨烯/合金粉體[56]。Bastwros等[53]則研究了球磨時間對GPLs增強Al基復合材料的影響。發現經過10 min球磨后的材料綜合性能反而降低,而60 min球磨后GPLs均勻分散在到Al基體內,在摩擦學性能上,GPLs顯示出了良好的增強效果。另一方面,化學鍍和電化學沉積法制備金屬包覆型碳納米材料,也可以確保GPLs均勻地分散在基體中。李遠軍[55]通過化學鍍將納米銅顆粒負載于還原氧化石墨烯表面的方法來確保其在Cu基體上均勻分布。但研究表明,化學鍍和電化學沉積法一般僅適用于Cu、Ni、Ag等電負性較低的金屬基體。

綜上,碳納米材料可顯著提高材料摩擦學和機械性能。但是,CNTs嚴重團聚以及與基體結合不牢固會減弱增強效果,甚至導致材料失效、降低使用壽命,從而進一步增加制造成本,限制其在金屬基自潤滑復合材料上的廣泛應用。這就對制造方法、材料尺寸大小以及空間分布提出來更為苛刻的要求,但是,由于弱的層間相互作用,碳納米管、石墨烯在實現超滑方面有很大的潛力[57]。

因此,目前研究者們對于碳納米材料固體潤滑增強金屬基自潤滑復合材料的研究也主要集中在這四方面:1)提高碳納米材料在金屬基復合材料中分散的均勻性;2)對碳納米材料與金屬形成的界面組織進行調控;3)摻雜其他固體潤滑劑,進一步提高金屬的減摩耐磨性能;4)微觀尺度上,研究石墨烯對材料性能的作用機理。

綜上,單一固體潤滑劑對使用環境具有選擇性,無法實現寬溫度范圍(25～800 ℃)以及多種環境下的有效潤滑。常見單一固體潤滑劑的性能及優缺點見表2[1-57]。

表2 單一固體潤滑劑性能及優缺點Tab.2 Performance and relative merits of single solid lubricant

6 多元復合固體潤滑劑

早在20世紀60年代初,人們就已經發現,兩種或者多種固體潤滑劑混合使用時,由于不同固體潤滑劑之間的協同作用,使得其潤滑效果好于其中任何一種固體潤滑劑單獨作用。

6.1 Ni基自潤滑材料的多元復合固體潤滑劑

在過去的20年中,已經成功開發了一系列Ni基的高溫自潤滑復合材料[58-62]。該類由Ni基體與固體潤滑劑(Ag-BaF2/CaF2/LaF3-金屬氧化物/無機鹽) 組成的自潤滑復合材料,在很寬的溫度范圍(25～800 ℃)和高強度(800 ℃,500 MPa的抗壓強度)并存的情況下表現出優異的潤滑性能(圖2[59])。其良好的潤滑特性(摩擦系數(0.23～0.34)和低磨損率(10-6～10-5mm3N-1m-1)解釋為Ag、氟化物、無機鹽的協同作用。當高于500 ℃時,氟化物中的低共熔物從基體中逸出,發生由脆性到塑性的轉變,可進一步提升潤滑效果[60]。Zhen等[61]指出由于Ag膜的存在,真空環境中該類復合材料摩擦系數和磨損率均低于大氣環境中的摩擦系數和磨損率,是一種很有潛力的航空、航天材料。此外Zhen等[62]的另一份研究表明,在Ag-BaF2-CaF2固體潤滑劑的基礎上再添質量分數為0.5%～1%的石墨可以使Ni基復合材料獲得穩定的摩擦性能(摩擦系數(0.19～0.29)和磨損率(5.3×10-6～2.3×10-5mm3N-1m-1)。

圖2 Ni基自潤滑復合材料的摩擦學性能Fig.2 Tribological properties of Ni based self-lubricating composites

6.2 Ni3Al基自潤滑材料的多元復合固體潤滑劑

進一步研究表明[63-65],該類由Ni3Al基體與固體潤滑劑(Ag-CaF2-BaF2)和增強材料(Cr,Mo等金屬元素)組成的自潤滑復合材料,在從室溫到1 000 ℃的寬溫度范圍內表現出低摩擦系數(μ＜0.4)和低磨損率(10-6～10-4mm3N-1m-1),且具有令人滿意的機械性能(硬度＞300 HV,抗壓強度＞1 000 MP)。Zhu等[65]采用熱壓燒結法制備的Ni3Al-6.2BaF2-3.8CaF2-12.5Ag-20Cr復合材料實現了室溫到1 000 ℃的有效潤滑(摩擦系數(0.24～0.37)和低磨損率(5.2×10-5～2.3×10-4mm3N-1m-1))。Ni3Al基體良好的高溫機械性能,Ag、氟化物、無機鹽的協同潤滑以及Cr元素對基體的增強作用使得其可以實現更寬溫度范圍的有效潤滑。與Ni基自潤滑復合材料相比,Ni3Al基自潤滑復合材料則可實現更寬溫度范圍內的有效潤滑,其潤滑機理見圖3[66]。

圖3 寬溫度范圍內Ni3Al基自潤滑復合材料的潤滑機理Fig.3 Lubrication mechanism of Ni3Al based self-lubricating composites in a wide temperature range

6.3 TiAl基自潤滑材料的多元復合固體潤滑劑

近年來,由于航空、航天工業的需要,科研人員制備了一系列基于TiAl基的高溫自潤滑復合材料[67-69]。該類由TiAl基體與固體潤滑劑(Ag-Ti3SiC2-BaF2/CaF2)組成的自潤滑復合材料,具有硬度高(＞500 HV)、輕質(ρ＜ 3.9 g/cm3)等優點。結果表明[66-68],Ag-Ti3SiC2-BaF2-CaF2潤滑體系在寬溫度范圍內下具有良好的協同效應:低溫時,銀擴散到金屬基體的摩擦表面形成了一層富Ag的摩擦膜,高溫時,由于BaF2、CaF2的擠壓和Ti的氧化,在摩擦表面形成了一層含氟化物和氧化物的摩擦膜。但是,從室溫到800 ℃的寬溫度范圍內其摩擦系數(μ＞0.3)和磨損率(10-4mm3N-1m-1)較高,摩擦學性能有待進一步提高。

綜上,可得出:1)多元復合固體潤滑劑的協同作用在寬溫度范圍內對改善復合材料的摩擦學性能起重要作用;2)選擇高溫機械性能優異的金屬基體以及適當添加Cr、Mo等金屬元素可實現更寬溫度范圍的有效潤滑;3)Ag與氟化物/無機鹽/MAX金屬陶瓷材料等高溫固體潤滑劑的組合具有極佳的協同潤滑作用。

6.4 Fe/Cu/Ag等金屬基自潤滑材料的多元復合固體潤滑劑

人們對多元復合固體潤滑劑對Fe[70-71]、Cu[72]、Ag[73]等金屬基體性能影響也進行了大量研究。Li等[71]發現以LaF3和MoS2作為潤滑組元的Fe基復合材料可顯示出超低的摩擦系數(0.09),其良好的減摩耐磨性得益于FeF2、Fe2O3、FeS和MoO3的生成。閆淑萍等[72]發現在大氣環境中加入Ti3SiC2可顯著提高Ag-MoS2-石墨復合材料的耐磨性,但在低真空環境其耐磨性則略有降低。為了改善固體潤滑劑與基體材料之間的潤濕性和表面質量,研究者[74-75]將固體潤滑劑與表面鍍層的協同作用,制得了Ni包MoS2、Ni-P化學鍍包覆的石墨、Ni-P化學鍍包覆的WS2、Ni-P化學鍍包覆PTFE等潤滑劑。實驗證實,添加表面施鍍的固體潤滑劑改善了固體潤滑劑與基體材料之間的潤濕性。同時,有效防止了黏著和磨粒磨損,復合鍍層中Ni-P構成的骨架包裹著大量MoS2、WS2、PTFE等微粒,使得復合材料具有較低且穩定的摩擦系數。

綜上,多元復合固體潤滑劑的協同作用既可以實現寬溫度范圍內的有效潤滑,又可以改善復合材料的摩擦學和機械性能。而具有優異潤滑特性和高強度、高硬度的材料則可能會在摩擦學領域中開辟新的應用,拓寬金屬基自潤滑復合材料的使用范圍[76-79]。然而,通過以上研究不難看出,多元復合時固體潤滑劑的選擇應考慮以下方面:1)選擇低溫固體潤滑劑-高溫固體潤滑劑的組合,實現寬溫度范圍內有效潤滑;2)選擇Ag/MoS2-氟合物/無機鹽的組合,實現不同環境下有效潤滑;3)選擇化學相容性和物理匹配性良好的固體潤滑劑進行組合[80],進一步降低復合材料摩擦系數和磨損率;4)固體潤滑劑與表面鍍層的協同作用,改善固體潤滑劑與基體材料之間的潤濕性。

以上研究表明,金屬基自潤滑復合材料固體潤滑劑種類很多,且各自有其適用工況(圖4(a))和適用基體(圖4(b))。根據基體材料以及工況環境選擇相匹配的固體潤滑劑,可以保證復合材料具有良好的減摩耐磨效果(摩擦系數＜0.5,磨損率介于10-6～10-4mm3N-1m-1之間)。因此,在設計金屬基自潤滑復合材料時,應參考圖5(a)來進行設計。從材料摩擦學性能與年份的關系圖圖5(b)中可以看出,起初制備的金屬基自潤滑復合材料摩擦系數不穩定,磨損率較高,嚴重影響材料使用壽命。但隨著研究的不斷深入,其摩擦學性能越來越好。

圖4 金屬基自潤滑復合材料固體潤滑劑的適用條件Fig.4 Applicable conditions of metal matrix self-lubricating composite solid lubricant

7 展望

目前,眾多學者在探索新型固體潤滑劑和保證寬溫度范圍內有效潤滑等方面已經取得顯著成果。但是,金屬基自潤滑復合材料固體潤滑劑仍面臨著許多實際挑戰。其中最顯著的問題便是與液體潤滑相比,固體潤滑必須進一步減少材料磨損。為實現上述目的,需要對以下幾方面進行深入研究:

1) 對固體潤滑劑的協同作用進行更多的研究,并探索新型的固體潤滑劑以實現更高溫度、更寬范圍的長時間有效潤滑。

2) 開發功能性潤滑材料,如具有抗輻射潤滑、絕緣潤滑、導電潤滑等性能的金屬基復合材料。

3) 探索制備固體潤滑材料的新工藝。如近年來,激光熔覆、化學鍍等表面技術在實現固體潤滑劑與表面鍍層協同作用方面取得了重要進展。

4) 開發綠色、環保型的固體潤滑材料。部分固體潤滑材料不僅對人體有危害,而且對環境也不友好,隨著人們環保意識的加強必然會促進綠色、環保型的固體潤滑劑的使用。