微結(jié)構(gòu)和添加劑改善金屬基復(fù)合材料摩擦進(jìn)展

唐 俊，林海波，熊邦英，楊 慷

(1.四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 宜賓 644000；2.晨光高性能氟材料創(chuàng)新中心，四川 自貢 643000；3.安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

引言

金屬基復(fù)合材料因具有高強(qiáng)度、低密度和抗氧化等優(yōu)異性能而受到眾多研究者的關(guān)注。這些特性使得金屬基復(fù)合材料被視為航空航天工業(yè)的理想結(jié)構(gòu)材料。然而金屬基復(fù)合材料韌性較弱、室溫拉伸延展性較低、高溫強(qiáng)度較差以及減摩抗磨性能差等缺陷阻礙了其廣泛使用。因此，為了克服金屬基復(fù)合材料減摩抗磨性能差這一問題，研究人員在固體潤滑劑和表面微結(jié)構(gòu)改善金屬基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能方面進(jìn)行了大量的研究。結(jié)果表明，在金屬基復(fù)合材料中加入固體潤滑劑或在其表面設(shè)計(jì)并制造微結(jié)構(gòu)都能夠有效提高復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。迄今為止，人們通過仿生設(shè)計(jì)或添加劑誘導(dǎo)的方法研究了各種微結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件所需的減摩抗磨性能[1-2]。

近年來，研究發(fā)現(xiàn)摩擦層主要是由固體潤滑膜與晶粒細(xì)化層組成[3]。摩擦層因在高溫高載、高真空與強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑性能，使其在金屬基復(fù)合材料上具有極大的應(yīng)用前景[4]。同時(shí)也在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、海洋深潛、先進(jìn)制造與熱能工程等領(lǐng)域應(yīng)用表現(xiàn)出蓬勃的生命力與發(fā)展?jié)摿5-6]。金屬基復(fù)合材料摩擦層作為摩擦副直接接觸部位，對(duì)金屬基復(fù)合材料的自潤滑效果與摩擦學(xué)性能起著決定性作用。制備相互貫通的表面微結(jié)構(gòu)并填充固體潤滑劑，在摩擦過程中固體潤滑劑向摩擦表面析出流動(dòng)，加速摩擦層形成進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異潤滑是提升金屬基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的有效途徑。盡管國內(nèi)外研究學(xué)者在微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備和固體潤滑劑在摩擦層形成與潤滑作用機(jī)理方面取得了一定成果[7]，但在表面微結(jié)構(gòu)以及析出流動(dòng)對(duì)摩擦層形成作用機(jī)理、摩擦層潤滑性能的研究上仍有待進(jìn)一步深入研究。故本文對(duì)表面微結(jié)構(gòu)和固體潤滑劑改善金屬基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的研究進(jìn)行綜述分析，并對(duì)固體潤滑劑和表面微結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用在金屬基復(fù)合材料摩擦過程中形成潤滑膜的作用機(jī)理和潤滑性能進(jìn)行了總結(jié)，為未來的研究提供可選擇的方向。

1 表面微結(jié)構(gòu)和固體潤滑劑的研究現(xiàn)狀

1.1 表面微結(jié)構(gòu)對(duì)金屬基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

隨著現(xiàn)代技術(shù)不斷進(jìn)步，國內(nèi)外學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)減小材料表面粗糙度并不能夠有效地減少摩擦磨損，反而是擁有微/納米結(jié)構(gòu)的材料表面具備更佳的摩擦學(xué)性能[8-10]。表面微結(jié)構(gòu)是指通過加工設(shè)備與技術(shù)手段，在材料表面人為地加工制造出擁有一定分布規(guī)律與尺寸的結(jié)構(gòu)陣列，以達(dá)到改善材料表面潤滑、減摩抗磨或其他方面的性能[11-15]。表面微結(jié)構(gòu)減摩抗磨的靈感來自于自然界。荷葉表面的微結(jié)構(gòu)降低了物體在其表面的粘附力和摩擦力從而實(shí)現(xiàn)自清潔性能[16-17]；壁虎腳掌表面的微結(jié)構(gòu)增加了腳掌與墻體之間的摩擦，使其能夠在墻壁上自由的行走[18-20]以及鯊魚皮膚表面的低能耗涂層可以降低與水接觸時(shí)的摩擦力[21-22]。這些類似的表面微結(jié)構(gòu)在絢爛多彩的自然界中普遍存在，自然界的動(dòng)物植物進(jìn)化出了形狀各異的表面形態(tài)去適應(yīng)變化的環(huán)境，而表面形態(tài)的不同演變出了類型各異的表面結(jié)構(gòu)。

材料表面制備微/納米結(jié)構(gòu)不僅可以儲(chǔ)存潤滑劑，改善摩擦磨損，而且在磨損過程中能夠收集磨屑顆粒，改善潤滑情況，從而有效地減少摩擦，降低磨損，延長機(jī)械設(shè)備使用壽命。自然界中表面結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為學(xué)者改善復(fù)合材料減摩抗磨性能提供了啟示。國內(nèi)外學(xué)者通過壓刻技術(shù)[23]、3D 打印技術(shù)以及激光表面結(jié)構(gòu)技術(shù)[24-25]等工藝對(duì)材料表面進(jìn)行加工。其中，激光表面結(jié)構(gòu)技術(shù)主要是通過光熱效應(yīng)對(duì)表面織構(gòu)進(jìn)行加工。相比于其他技術(shù)，該技術(shù)擁有加工成本低、性能穩(wěn)定以及加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，并且研究者在理論研究與實(shí)驗(yàn)探究方面也積累了成熟的經(jīng)驗(yàn)。基于此，材料表面結(jié)構(gòu)處理以激光表面結(jié)構(gòu)技術(shù)作為金屬基復(fù)合材料表面加工的首選。Xu 等[26]利用激光燒蝕技術(shù)制備了微柵格、微羽毛和微凹槽3種表面織構(gòu)，如圖1所示。

圖1 激光燒蝕表面微結(jié)構(gòu)[26]

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在3種表面織構(gòu)中，微網(wǎng)格織構(gòu) 具有最好的減摩抗磨性能。與溝槽狀織構(gòu)相比，微羽狀織構(gòu)具有更好的減摩效果。因此，表面織構(gòu)在減少接觸界面的摩擦磨損方面起著重要作用。表面紋理密度越高，與摩擦件的接觸面積越小。

基于這一結(jié)論，Wang 等[27]通過選擇性激光熔墨印刷技術(shù)制備了400 μm×400 μm、間距不同(300 μm 和600 μm)的凹凸方形織構(gòu)，具體的摩擦學(xué)性能見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，織構(gòu)間距為300 μm 的試樣摩擦系數(shù)要小于間距為600 μm 織構(gòu)的試樣。提出的潤滑機(jī)制是摩擦副的有效接觸面積隨著間距的減小而減小，表面織構(gòu)的存在起到了保持摩擦副接觸面之間距離的作用，從而使摩擦副具有良好的摩擦學(xué)性能。值得注意的是，雖然印刷織構(gòu)的摩擦系數(shù)較低，但實(shí)際接觸面積的減小導(dǎo)致粘接強(qiáng)度不足仍是進(jìn)一步提高耐磨性的障礙。

表1 仿生界面技術(shù)的方法概要

綜上所述，表面結(jié)構(gòu)作為一種改善摩擦副潤滑性能、減少摩擦和降低磨損的有效方法為摩擦學(xué)學(xué)科開拓了新的研究領(lǐng)域，為改善摩擦副摩擦學(xué)性能開辟了新的研究途徑。

1.2 固體潤滑劑對(duì)金屬基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

研究表明，固體潤滑劑對(duì)復(fù)合材料潤滑性能的改善有著重要影響[28-29]。根據(jù)空間結(jié)構(gòu)分類，固體潤滑劑一般可分為4 類，即零維、一維、二維和三維結(jié)構(gòu)。具體來說，零維的固體潤滑劑（如近似納米點(diǎn)、納米顆粒和納米球等）的所有尺寸都在納米尺度范圍內(nèi)(約1～500 nm)[30]；一維的固體潤滑劑(包括納米線、納米纖維、納米棒和納米管等)具有兩個(gè)納米尺度的尺寸，長度與直徑的縱橫比很高[31-32]；二維的固體潤滑劑涉及超薄片狀材料，如各種納米薄片、薄膜、多層及其相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，其厚度控制在納米級(jí)范圍內(nèi)，從幾納米到幾十納米(如石墨烯、石墨和WS2等)[33-34]；三維的固體潤滑劑的所有尺寸均超出納米級(jí)范圍，通常被定義為由零維、一維和二維納米材料的單個(gè)或多個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元組成的塊狀材料[35-36]。

常見的零維金屬納米顆粒及金屬氧化物有Ag、TiO2和Al2O3等，其中Al2O3金屬氧化物的熔點(diǎn)較高，在高溫下仍然有優(yōu)異的潤滑性能[37-38]。但是作為固體潤滑劑，部分軟金屬只能在一定溫度的范圍內(nèi)起到潤滑作用。以銀、SnAgCu等軟金屬納米顆粒為代表的固體潤滑劑硬度低、剪切強(qiáng)度小且具有高粘度類流體潤滑特性，已成為改善金屬基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的優(yōu)選固體潤滑劑。Shi 等[39]發(fā)現(xiàn)相比于不添加潤滑劑的TiAl基復(fù)合材料，含Ag和Ti2AlC潤滑劑的TiAl 基復(fù)合材料表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)和磨損率，這是由于Ag和Ti2AlC在摩擦過程中的協(xié)同作用。Yang等[40]研究了SnAgCu-Al2O3-鈦鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，由于SnAgCu具有較低的強(qiáng)度，導(dǎo)致潤滑膜易發(fā)生塑性變形，從而降低了Al2O3與摩擦表面間的結(jié)合能力，進(jìn)而加速了Al2O3顆粒的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，顯著地改善了鈦鋁基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。上述實(shí)驗(yàn)說明，零維軟金屬固體潤滑劑可以通過自身的塑性形變來改善復(fù)合材料的摩擦磨損性能。但是在摩擦過程中，納米軟金屬顆粒形成的潤滑膜容易形變過大而造成粘附，從而破壞了潤滑膜的完整性進(jìn)而限制了其潤滑的效果。

與零維固體潤滑劑的球形結(jié)構(gòu)不同，常用作一維固體潤滑劑的碳納米管(CNT)因其獨(dú)特的六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有良好的物理性能和自潤滑性能，在復(fù)合材料接觸面之間形成的固體潤滑層可有效改善復(fù)合材料的摩擦磨損性能。Zhang 等[41]通過實(shí)驗(yàn)研究了摻雜不同含量CNT的超細(xì)晶粒W-Cu復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為。結(jié)果表明，通過在燒結(jié)和滲透后引入碳化鎢相，摻雜CNT 的W-Cu 復(fù)合材料的耐磨性顯著提高。其中碳化鎢相WC和W2C是在燒結(jié)和滲透過程中由CNT 與W 反應(yīng)形成的，且碳化鎢相的數(shù)量隨著摻雜碳納米管含量的增加而增加。由此產(chǎn)生的碳化鎢相提高了W-Cu復(fù)合材料的硬度。摻雜1wt%和3wt% CNT 的W-Cu 復(fù)合材料的硬度分別提高了244 HB和275 HB。W-Cu復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著摻雜CNT 含量的增加而降低。研究結(jié)果表明，碳納米管的加入可以提升復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，但只有在適當(dāng)?shù)臐舛确秶鷥?nèi)才能發(fā)揮其最佳效果。此外，雖然碳納米管強(qiáng)度高，擁有優(yōu)異的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)性，但其存在制備難度大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和溶解度差等實(shí)際問題而限制了其規(guī)模化的應(yīng)用。

相比于以上兩種潤滑劑，二維層狀結(jié)構(gòu)固體潤滑劑(如石墨烯、MoS2、WS2等)因?yàn)橄噜弻优c層之間是由弱的范德華力連接，結(jié)合鍵能低，容易被剪切而滑移，從而呈現(xiàn)出優(yōu)異的潤滑特性而得到眾多學(xué)者的青睞[42-43]。Xu 等[44]利用放電等離子技術(shù)制備TiA1-石墨烯自潤滑材料，并對(duì)摩擦層形成過程與潤滑行為進(jìn)行了研究。摩擦過程中，石墨烯富集至摩擦表面并誘導(dǎo)摩擦亞表面晶粒細(xì)化，促使固體潤滑膜形成在高硬度晶粒細(xì)化層上，如圖2 所示。由于多層石墨烯均勻地分布于鈦鋁基復(fù)合材料中，使得摩擦系數(shù)降低了約4 倍，磨損降低了近4～9 倍[45]。但是石墨烯易被高溫氧化，降低了其在摩擦表面的富集含量，限制了摩擦層形成與潤滑性能提高[46-47]。Dong 等[48]探究了多層石墨烯納米片對(duì) TiAl 基復(fù)合材料力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的增強(qiáng)作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與外加張力平行的石墨烯納米片會(huì)導(dǎo)致多層納米片的層間分離，而與外加張力垂直的石墨烯納米片則能有效阻礙應(yīng)力，從而提升了材料的強(qiáng)度和硬度。此外，石墨烯層內(nèi)分離改善了銀的變形，提高了磨痕的承載能力使得復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率較低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯作為二維固體添加劑具有優(yōu)異的物理學(xué)性能，能夠改善復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，但是在摩擦磨損過程中容易粘結(jié)進(jìn)而導(dǎo)致摩擦學(xué)性能的下降。另外，制備工藝的復(fù)雜性和對(duì)環(huán)境的影響制約了其大規(guī)模的應(yīng)用。

圖2 GTMSC在1.1 m/s滑動(dòng)速度下測試后的截面FESEM圖像[44]

三維固體潤滑劑繼承了各組分的優(yōu)勢特性，并直接決定了潤滑行為。與其他固體潤滑劑類似，三維固體潤滑劑在改善固體潤滑系統(tǒng)的摩擦學(xué)特性方面起著決定性作用。Zeng 等[49]制造了亞共晶Al-Si 基體、碳化硅和不同氧化石墨烯(RGO)含量組成的混合復(fù)合材料，并評(píng)估了RGO 含量和施加載荷對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率的影響。摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Al-Si/SiCp/0.5wt% RGO 和Al-Si/SiCp/0.7wt% RGO混合復(fù)合材料表現(xiàn)出更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。RGO 的添加可使復(fù)合材料獲得穩(wěn)定摩擦系數(shù)是因?yàn)镽GO有助于復(fù)合材料在摩擦過程中形成潤滑膜。此外，與 Al-Si/SiCp 復(fù)合材料相比，Al-Si/SiCp/RGO 混合復(fù)合材料的磨損率有所降低。混合復(fù)合材料磨損行為的改善可歸因于RGO 的積極作用及其自潤滑特性。Sadoun 等[50]研究了Ag 涂層石墨烯納米片(GNPs)雜化的Cu-Al2O3納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性。結(jié)果表明，與純銅相比，隨著GNPs含量的增加，硬度提高了55.2%，這是由于晶粒細(xì)化、GNPs的高強(qiáng)度以及GNPs 的沉淀強(qiáng)化了晶界。此外，隨著GNPs含量的增加，提高了復(fù)合材料的耐磨性，降低了摩擦系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三維固體潤滑劑的潤滑效果明顯高于單一潤滑劑。但是對(duì)于單一固體潤滑劑來說，三維固體潤滑劑具有更大的體積，在涂層摩擦過程中可能會(huì)對(duì)摩擦表面造成較大的傷害。

基于上述研究可知，零維固體潤滑劑具有球型結(jié)構(gòu)，能夠在摩擦過程中發(fā)揮“滾珠效應(yīng)”從而減少摩擦。但是其存在明顯的團(tuán)聚效應(yīng)，不利于納米顆粒的分散，進(jìn)而導(dǎo)致潤滑性能下降。此外，零維固體潤滑劑可以通過自身的塑性形變形成潤滑膜，但是在摩擦過程中容易粘附破損。一維和二維添加劑具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，其中的“滾軸效應(yīng)”和分子間的弱范德華力能夠明顯改善復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。然而，其制備成本高、工藝復(fù)雜且對(duì)環(huán)境可能產(chǎn)生污染，使其目前仍不能大規(guī)模的應(yīng)用。此外，單一潤滑劑在改善復(fù)合材料的減摩抗磨性能方面存在一定的局限性。所以，采用多種潤滑劑復(fù)合增強(qiáng)材料是實(shí)現(xiàn)在多種工況下具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的有效方法。

2 表面微結(jié)構(gòu)和固體潤滑劑協(xié)同作用

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件所需的摩擦學(xué)性能，各種精心設(shè)計(jì)或添加劑誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)已被廣泛研究[51-52]。在仿生微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，表面織構(gòu)與固體潤滑劑的協(xié)同效應(yīng)日益引起廣泛關(guān)注[53-54]。研究發(fā)現(xiàn)，在提升金屬基復(fù)合材料摩擦磨損性能方面，不同維度的固體潤滑劑與表面微結(jié)構(gòu)相互作用的原理不同。Yang 等[55]采用激光增材制造方法，在37NbCrCo 材料上制備了覆蓋正弦微通道的摩擦界面。隨后，采用高溫滲濾的方法將SnAgCu 和Ti3SiC2潤滑劑填充到微通道中。其結(jié)果表明Ti3SiC2誘導(dǎo)摩擦膜的形成、SnAgCu 的塑性變形、Ti3SiC2的滾動(dòng)摩擦以及它們之間的協(xié)同作用是獲得優(yōu)異摩擦學(xué)性能的主要因素。金屬基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能主要取決于富含軟金屬摩擦層的潤滑性能。如果軟金屬被均勻分布在基體材料中，將限制其向摩擦表面的析出流動(dòng)，在阻礙摩擦層形成的同時(shí)也降低了摩擦層承載能力，進(jìn)而導(dǎo)致潤滑性能顯著下降，甚至產(chǎn)生局部潤滑失效[56-57]。

目前為止，關(guān)于一維固體潤滑劑與表面微結(jié)構(gòu)相互協(xié)同作用改善金屬基復(fù)合材料的相關(guān)研究甚少。與零維軟金屬Ag 納米顆粒通過塑性形變形成摩擦膜不同，在金屬基復(fù)合材料中加入一維固體潤滑劑可以避免上述情況。Yang 等[58]在TiAl 基復(fù)合材料中加入10wt% V2O5納米線進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)用載荷從6 N 增加到18 N時(shí)，仿生結(jié)構(gòu)摩擦層從羽狀結(jié)構(gòu)(6 N)形成為脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)(12 N)再到形似結(jié)構(gòu)(18 N)。在這一過程中導(dǎo)致晶粒增長形成仿生摩擦層，如圖3 所示。大晶粒有利于降低滑動(dòng)摩擦力，從而提高了TiAl-10wt% V2O5復(fù)合材料的承載能力，獲得了較小的摩擦系數(shù)和磨損率。而當(dāng)載荷從18 N 增加到24 N 時(shí)，摩擦層仿生結(jié)構(gòu)由形似結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致摩擦系數(shù)和磨損率迅速提高。

圖3 幾種典型仿生摩擦層FESEM圖[58]

二維固體添加劑與微結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用在摩擦磨損過程中更容易形成潤滑膜。Li等[59]研究了表面紋理和納米WS2膜對(duì)ZrO2涂層摩擦和磨損性能的影響。WS2膜和網(wǎng)格狀溝槽的結(jié)合賦予了ZrO2涂層優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。這種紋理有助于延長WS2膜的磨損壽命并增強(qiáng)其潤滑效果。與未處理的ZrO2涂層相比，紋理/WS2系統(tǒng)的摩擦系數(shù)和對(duì)磨球的磨損率分別降低了16%和92%。此外，采用電流體霧化方法在仿生鯊魚皮膚上沉積WS2涂層，仿生鯊魚皮與WS2涂層的協(xié)同效應(yīng)有效提升了Al2O3/TiC 陶瓷的摩擦抗磨性能[60]。仿生鯊魚皮的作用主要表現(xiàn)在減少摩擦接觸面積、減小剪切應(yīng)力和捕獲磨損碎片。同時(shí)，溝槽作為潤滑劑儲(chǔ)存空間，可以使?jié)櫥ぴ谀Σ吝^程中保持較厚的3 層膜，實(shí)現(xiàn)較長摩擦?xí)r間的連續(xù)潤滑。在此基礎(chǔ)上，研究了具有仿生鯊魚皮紋理表面的ZrO2/WS2溶膠-凝膠涂層的干摩擦磨損性能[61]。結(jié)果表明，在滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)過程中，產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力，WS2納米晶體將重新取向，基面平行于滑動(dòng)方向。然而，在重新定向過程中，端面懸垂的化學(xué)鍵會(huì)暴露在大氣中被氧化導(dǎo)致摩擦學(xué)性能惡化。仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)的加入改善了這樣的缺陷。在滑動(dòng)過程中，由于層間范德華力較弱，WS2發(fā)生剪切和剝落，剝落后的WS2沿磨損軌跡分布形成了均勻摩擦膜，有效提升了涂層的摩擦學(xué)性能。均勻分布的菱形單元不僅可以減少摩擦面積，而且鑲嵌在菱形單元上的微槽也會(huì)聚集磨損碎片。

研究人員對(duì)鋼表面涂有幾層石墨烯的微凹槽的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了探索[62]。適當(dāng)溝槽面積比(35%)和石墨烯潤滑明顯改善了復(fù)合材料的摩擦性能，在870 個(gè)滑動(dòng)循環(huán)中保持在了較低的摩擦系數(shù)(～0.22)。這種降低摩擦的行為主要與微槽有效截留磨損碎屑和形成保護(hù)性摩擦膜有關(guān)。對(duì)于仿生石墨烯基涂層，其潤滑性能主要來源于還原氧化石墨烯片材的超光滑表面和低剪切相對(duì)滑移，其抗磨性能主要與涂層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有關(guān)。Chu 等[63]通過對(duì)不同涂層的摩擦系數(shù)和磨損率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在形成強(qiáng)雜化鍵網(wǎng)絡(luò)后，抗磨性能下降。這是由于聚乙烯醇和戊二醛分子限制了還原氧化石墨烯薄片的相對(duì)滑移所致。綜上所述，結(jié)合強(qiáng)度的提高和粘結(jié)效果的減弱并不能抵消相對(duì)滑移能力的減弱，從而導(dǎo)致還原氧化石墨烯涂層的摩擦系數(shù)和磨損率增加。

從上述研究可知，固體潤滑劑和表面微結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用對(duì)金屬基復(fù)合材料可以發(fā)揮優(yōu)良的減摩抗磨性能，對(duì)磨損表面的研究具有重要意義。材料表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一方面減少了摩擦界面之間的接觸面積從而減少摩擦；另一方面微結(jié)構(gòu)中可以儲(chǔ)存潤滑劑，潤滑劑在摩擦過程中被擠壓遷移到摩擦界面進(jìn)而形成潤滑膜。

3 結(jié)束語

固體潤滑劑的加入可以在摩擦過程中形成潤滑膜，使晶粒細(xì)化或者由于自身特性使金屬基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能得到有效提升。零維固體添加劑自身的“球型”結(jié)構(gòu)，在摩擦過程中產(chǎn)生“滾珠效應(yīng)”從而提升材料的摩擦學(xué)性能。零維固體潤滑劑中的軟金屬添加劑在摩擦過程中發(fā)生塑性形變并鋪展在摩擦界面形成潤滑膜進(jìn)而保護(hù)材料，減少摩擦磨損。但是，軟金屬在摩擦界面形成的潤滑膜容易受到溫度的影響而遭到破壞。此外，零維固體潤滑劑的分散性直接影響材料的結(jié)構(gòu)和性能。但對(duì)于高濃度體系，小顆粒間距導(dǎo)致固體潤滑劑不可避免地團(tuán)聚，降低了材料的摩擦學(xué)性能。因此，為了提升材料的摩擦學(xué)性能需要盡可能地增加零維固體添加劑的分散性，使其均勻分散在材料基體中。一維和二維固體添加劑相對(duì)于零維固體添加劑具有更好的分散性，但是它們的制作成本高、工藝復(fù)雜且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。未來亟需簡化和優(yōu)化生產(chǎn)工藝來降低制作成本以及對(duì)環(huán)境的危害。

材料表面微/納米結(jié)構(gòu)可以儲(chǔ)存潤滑劑，而且在磨損過程中能夠收集磨屑顆粒，控制表面組成和界面特性改善潤滑情況，從而有效地減少摩擦，降低磨損。固體潤滑劑和表面微結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用可以為改善金屬基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能提供一種有效的手段。

在金屬基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合固體潤滑劑的含量對(duì)材料摩擦磨損性能的影響較大。潤滑劑在微結(jié)構(gòu)中含量越多，摩擦系數(shù)和磨損率越低。但是固體潤滑劑添加量過高將導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，致使磨損率變大。故摩擦系數(shù)和磨損率的矛盾與匹配、固體潤滑劑的選擇與使用仍需更加深入的認(rèn)識(shí)與研究。固體潤滑膜的形成和失效是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，涉及到復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，包括材料的應(yīng)力應(yīng)變、氧化還原、塑性變形和疲勞破壞等。現(xiàn)有研究更多是處于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析與討論，還需更加深入，進(jìn)一步建立對(duì)應(yīng)的理論體系。