固體潤滑涂層高分子材料

一、固體潤滑劑固體潤滑劑是指用以分隔摩擦副對偶表面的一層低剪切阻力的固體材料。對于這類材料，除了要求具有低剪切阻力外，與基底表面之間還應(yīng)具備較強的鍵聯(lián)力。這也就是說，載荷由基底承受，而相對運動發(fā)生在固體潤滑劑內(nèi)。使用固體潤滑劑的優(yōu)點在于：潤滑油脂的使用溫度范圍一般為-60℃?+350℃,超過這一溫度范圍，潤滑油脂將無能為力，而固體潤滑劑卻能充分發(fā)揮其效能；潤滑油脂的承載能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如固體潤滑劑；在高真空、強輻射、活性或惰性氣體環(huán)境中以及在水或海水等流體中，潤滑油脂容易失效，也需借助于固體潤滑劑；固體潤滑劑在貯存，運輸和使甩過程中，對環(huán)境和產(chǎn)品的污染也比潤滑油脂少得多；固體潤滑劑還特別適合于要求無毒、無臭、不影響制品色澤的食品和紡織等行業(yè)；固體潤滑劑的時效變化小，保管較為方便。然而，固體潤滑劑的缺點也很突出，例如潤滑膜一旦失效就難以再生；一般地說，其摩擦因數(shù)比潤滑油脂的大；摩擦界面上的熱量不易被帶走或逸散；容易產(chǎn)生碎屑、振動和噪聲等。二、固體潤滑機理固體潤滑的主要目的是用鍍、涂等方法將固體潤滑劑粘著在摩擦表面上形成固體潤滑膜，摩擦?xí)r在對偶材料表面形成轉(zhuǎn)移膜，使摩擦發(fā)生在潤滑劑內(nèi)部，從而減少摩擦，降低磨損。潤滑膜一方面可以防止對偶材料表面直接接觸，另一方面可以減小接觸薄層的剪切強度，從而顯著減小摩擦系數(shù)。固體潤滑劑具有潤滑作用的薄膜主要包括物理吸附膜、化學(xué)吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜、氧化膜、涂層潤滑膜以及自潤滑膜等。某些固體潤滑劑能夠與摩擦表面形成牢固的物理吸附膜；潤滑劑的極性分子能夠同摩擦表面經(jīng)由化學(xué)吸附形成化學(xué)吸附膜；某些潤滑劑分子可以同摩擦表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成化學(xué)反應(yīng)膜；摩擦表面或工件材料中的某些元素在高溫作用下產(chǎn)生氧化形成氧化物潤滑膜；利用涂層技術(shù)可以在摩擦表面形成潤滑涂層；通過對摩擦表面材料進(jìn)行合理組合的組分設(shè)計可以使摩擦表面材料形成自潤滑作用的自潤滑膜。在摩擦力較小的情況下，潤滑膜較容易保持并起到減摩作用；隨著摩擦力增大，潤滑膜不斷磨損并脫落，摩擦副處于邊界潤滑或混合潤滑狀態(tài)；當(dāng)摩擦力進(jìn)一步加大并導(dǎo)致邊界潤滑膜發(fā)生破裂失效，則摩擦副將處于無潤滑的干切削狀態(tài)。在邊界潤滑條件下，摩擦力F為：F=A-QS式中：F為法向負(fù)荷；A為真實接觸面積;QS為壓縮屈服極限。在這種情況下，摩擦表面將出現(xiàn)牢固的粘結(jié)點。在切向力的作用下粘結(jié)點被減斷，表面隨即發(fā)生滑移。摩擦的過程就是粘結(jié)與滑移交替進(jìn)行的過程。摩擦力主要表現(xiàn)為剪斷金屬粘結(jié)點所需的剪切力。設(shè)粘結(jié)點部分的剪切強度為n，則摩擦力f為：f=A?n=nF/QS摩擦系數(shù)u為：u=f/F=n/QS因此，摩擦力的大小僅與法向負(fù)荷成正比，而與實際接觸面積無關(guān)。摩擦系數(shù)取決于材料的機械物理性能：與剪切強度成正比，與壓縮屈服極限成反比。三、固體潤滑材料常用的固體潤滑劑有：層狀固體材料（如石墨、二硫化鉬、氮化硼等）、其它無機化合物（如氟化鋰、氟化鈣、氧化鉛、硫化鉛等）、軟金屬（如鉛、銦、錫、金、銀、鎘等）、高分子聚合物（如尼龍、聚四氟乙烯、聚酰亞胺等）和復(fù)合材料。層狀固體材料層狀固體具有層片狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，同一層內(nèi)的原子間結(jié)合力較強，而層與層之間原子間的結(jié)合力較弱。這種層片狀晶體的疊合，意味著垂直于層片方向可以承受很大的壓力，而沿層片方向只要有一個較小的切向力作用，就會很容易地使層片與層片相互錯開，故能承受較大壓力而摩擦因數(shù)較小。這種承壓能力大而抗剪切力低的材料，為摩擦副提供了良好的潤滑。這一點與吸附膜相似。石墨石墨為層片狀碳，層與層之間的結(jié)合力較小。在切向力作用下，層與層之間容易滑動。在大氣條件下，石墨對石墨或石墨對鋼的摩擦因數(shù)大約為0.1~0.15，具有明顯的減摩效果；而在真空中，石墨間的摩擦因數(shù)則上升為0.5?0.8。在摩擦過程中，經(jīng)過除氣處理的石墨一旦導(dǎo)入空氣、氧氣、水蒸氣或苯、乙醇、丙酮、庚烷蒸汽等，則摩擦因數(shù)將很快降低，而當(dāng)導(dǎo)入氮或二氧化碳等氣體，卻并先降低摩擦的效果。 不論是天然石墨還是人造石墨，使用前均應(yīng)粉碎。作為潤滑劑，特別是粉劑，應(yīng)以天然石墨為主。使用時，可直接將石墨粉加在摩擦副對偶表面之間，也可以將石墨和其它材料制成復(fù)合材料使用；也有把碳一石墨粉壓制成塊，經(jīng)切削（或不經(jīng)切削）制成零件（已成功地應(yīng)用于壓縮機活塞環(huán)等零件上），這種材料具有很好的自潤滑效果。若把石墨粉加在油（或脂）中作為潤滑劑使用，則在重載作用下油膜破裂時，石墨仍能繼續(xù)起潤滑作用。將石墨粉加在水中，并添加合適的粘結(jié)劑制成的潤滑劑，已成功地應(yīng)用于熱軋等工藝中。 石墨的化學(xué)穩(wěn)定性好，抗輻射能力強，無毒，價格低等，都是其優(yōu)點，但因石墨的熱穩(wěn)定性較差，所以限制了它以粉狀或塊狀固體膜的形式使用。石墨在325c時與氧接觸會生成CO2,因而一般最高使用溫度不超過400℃。將石墨置于氟氣中，經(jīng)加熱可制備氟化石墨。氟化石墨呈白色（或接近白色），不像石墨的磨屑會污染摩擦副或產(chǎn)品。在27?345℃的溫度內(nèi)，氟化石墨的摩擦因數(shù)比石墨小，其壽命則比石墨長。它在真空和惰性氣體中也具有潤滑性，從而改善了石墨在無水蒸氣條件下的潤滑性。氟化石墨的缺點是價格較貴。二硫化鉬二硫化鉬粉劑是由天然輝鉬精礦經(jīng)化學(xué)提純制成。其分散性高、純度高、吸附性強、色黑稍帶銀灰色、有金屬光澤、觸之有滑膩感、不溶于水。它也是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的材料。由于結(jié)合強度低，很容易沿解理平面滑移，所以剪切阻力小，摩擦因數(shù)小。在大氣中，MoS2解理面與鋼表面的摩擦因數(shù)只有0.1左右，即使在真空中也只有0.2。MoS2在干燥氮氣中的潤滑性能很好，但在干燥氧氣和潮濕空氣中則潤滑性較差，這些潤滑特性均與石墨不同。MoS2在420?430℃內(nèi)就會快速氧化，當(dāng)溫度超過800℃時，MoS2可能分解，而金屬鉬的摩擦因數(shù)相當(dāng)大，因此潤滑性能就大大下降。氮化硼氮化硼（BN）也是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的材料，它與傳統(tǒng)的固體潤滑劑相比，石墨的解理面上全是碳原子，MoS2的解理面上全是硫原子，而氮化硼的解理面上既有氮原子又有硼原子。當(dāng)它在大氣中常溫條件下與金屬表面接觸而相對運動時，摩擦因數(shù)約為0.2?0.4,比石墨大，但隨著溫度的升高而減小。BN的摩擦性能不受水蒸氣影響，但在有氣體（如庚烷）中，摩擦因數(shù)小于0.2。在大氣條件下，BN在溫度高達(dá)900℃時仍有較小的摩擦因數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。將BN加入潤滑油中，可以作為高溫潤滑劑使用。氧化物、鹵化物及其它化合物氧化物眾所周知,鋼鐵表面的氧化膜具有保護表面的作用。當(dāng)金屬表面直接接觸并發(fā)生粘著時,摩擦磨損就增加，一旦表面存在.氧化物則摩擦磨損就可減小。氧化鉻（Cr2O3）,氧化鈦（TiO2）、氧化鋯0[02）的熔點約在1600?3000℃之間，均有可用作高溫工況下的表面保護膜。氧化硼(B2O3)在400c以下的摩擦因數(shù)并不小，但當(dāng)溫度接近熔點時下降到0.1左右。氧化鉛(PbO)在常溫下的摩擦因數(shù)不小(約為0.3?0.4),但在200?650℃溫度范圍內(nèi)只有0.1?0.15,確實也是一種很好的高溫潤滑材料。鹵化物氟化物的質(zhì)地較軟,抗剪強度較低,并且有化學(xué)惰性,可覆蓋在金屬表面上起潤滑作用,是良好的高溫固體潤滑劑。氟化鈣(B2O3)和氟化鋇(BaF2)應(yīng)用溫度范圍比PbO更寬。其它化合物硼酸鹽也是高溫固體潤滑劑,在熔融狀態(tài)下才顯示出優(yōu)良的潤滑性能,當(dāng)溫度超過480℃時,它具有流體動力效應(yīng),超過760℃時則起邊界潤滑劑作用。在高溫下,硼酸與金屬氧化物起反應(yīng)而形成玻璃。硫化硼在高溫中的低摩擦則歸因于硼酸。此外,各種玻璃,如硼酸鉛玻璃、硼硅酸鉛玻璃、鋁硅酸鹽玻璃等，可以用于500?800℃的溫度范圍，而硅玻璃甚至可用于超過1100℃的高溫。用玻璃潤滑的缺點是難以從潤滑表面將其清除。高分子自潤滑材料高分子自潤滑材料根據(jù)其溫度特性分為熱塑性和熱固性兩大類。與其他固體潤滑劑相比較,高分子材料作為潤滑部件具有以下優(yōu)點：質(zhì)地較軟,不損傷對偶材料,且能有效地吸收振動,無噪聲；化學(xué)穩(wěn)定性好,摩擦磨損對氣氛的依賴性小,在水中或海中也能使用；低溫性能好,即使在液氮、液氫的超低溫條件下仍能發(fā)揮其潤滑作用,在真空中同樣可以應(yīng)用；具有優(yōu)良的抗油、耐腐蝕性；電絕緣性優(yōu)良。其缺點為：機械強度低,承載能力差；不宜在高溫下使用；有吸濕性,時效變化明顯；軸承的間隙大,因而配合精度低。目前常見的高分子固體自潤滑材料主要有聚苯硫醚(PPS)、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺(PI)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)等。幾種典型的高分子固體潤滑材料：聚四氟乙烯聚四氟乙烯簡稱PTFE,商品名為特氟隆。是由四氟乙烯聚合而成的高分子材料，是白色半透明到不透明固體，氟含量為76%,俗稱“塑料王”PTFE分子中F原子對稱，C-F鍵中兩種元素以共價鍵結(jié)合，分子中沒有游離的電子，使整個分子呈中性，因此它具有優(yōu)良的介電性能，而且其電絕緣性不受環(huán)境及頻率的影響。因PTFE分子結(jié)構(gòu)中沒有氫鍵，結(jié)構(gòu)對稱，所以它的結(jié)晶度很高(一般結(jié)晶度為55%~75%,有時高達(dá)94%),使PTFE耐熱性能極好，其熔融溫度為324℃,分解溫度為415℃,最高使用溫度為250℃,脆化溫度為-190℃,熱變形溫度(0.46MPa條件下)為120℃。PTFE的力學(xué)性能良好，其拉伸強度為21~28MPa,彎曲強度為11~14Mpa,伸長率為250%~300%在氟樹脂的12個品種中，PTFE的產(chǎn)量最多，約占整個氟塑料的75%~80%,并且因為PTFE具有較優(yōu)異的摩擦磨損性能,摩擦系數(shù)低,高低溫性能好,化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)越,并不受環(huán)境氣氛的影響,因此其應(yīng)用范圍非常廣。最早是為國防和尖端技術(shù)需要而開發(fā)的,而后逐漸推廣到民用,其用途涉及航空航天和民用的許多方面,目前在其應(yīng)用領(lǐng)域已成為不可或缺的材料。由于其自潤滑性,適宜做壓縮機和空氣錘上的活塞環(huán)和各種密封環(huán),密封間隙小,使用壽命長,可以實現(xiàn)氣缸與活塞環(huán)之間的無油潤滑。聚醚醚酮聚醚醚酮屬于聚醚酮類塑料中的主要品種,在這個聚合物的重復(fù)單元中有兩個醚鍵和酮基與苯環(huán)交互連構(gòu)成線型大分子，故命名為聚醚醚酮，簡稱PEEK,PEEK是一種耐高溫的結(jié)晶

型熱塑性工程塑料。PEEK是英國帝國化學(xué)公司（ICI公司）在1978年才投放市場。雖然各公司研究開發(fā)了許多聚醚酮品種，其中最主要的品種仍然是聚醚醚酮 。聚醚醚酮樹脂自從研制出來，一直被作為一種重要的戰(zhàn)略性國防軍工材料，對許多國家限制出口。PEEK具有良好機械性能、抗化學(xué)腐蝕性，良好的絕緣性和極強的抗高劑量級別伽馬射線的性能，顯著的熱穩(wěn)定性（260°C）和耐磨性；耐燃性較好，并且它的發(fā)煙霧量較少。它可以在無潤滑、低速高載下或在液體、固體粉塵污染等惡劣環(huán)境下使用。PEEK是一種半晶態(tài)熱塑性聚合物，為了改善其機械性能，尤其是摩擦學(xué)性能，常在其中添加聚四氟乙烯（PTFE），聚丙烯晴（PAN）和碳纖維（FC）等材料，也可以添加顆粒增強型材料，或進(jìn)行特種表面處理。PEEK是繼PTFE后又一類倍受歡迎的耐磨減磨材料，與PTFE相比，其承載能力和耐磨性有了很大的提高，溫度對其摩擦磨損性能和機械性能影響不大。這類自潤滑復(fù)合材料可用于制作飛機上的耐熱、耐有機溶劑的連接件，汽車軸承支架、活塞密封、發(fā)動機的傳動裝置，精密電子設(shè)備的零部件。但由于PEEK本身的價格高且成型加工困難，在普通的工程應(yīng)用中受到了很大的限制。三聚氰胺尿酸絡(luò)合物（MCA）MCA是有機固體潤滑劑三聚氰胺尿酸絡(luò)合物的簡稱，它是一種具有潤滑感的白色結(jié)晶粉末，難溶于水和其它有機溶劑，但是能較好地分散于油類介質(zhì)中，無毒、無污染、無臭、無味。它的阻燃效果好、加工煙霧小、阻燃等級可達(dá)到UL94V-O級。MCA是兼有阻燃和潤滑性能的多功能助劑，其特點是：含氮量高（約30%），在橡膠、塑料，特別是在尼龍中適量添加即可起到明顯的阻燃作用；熱穩(wěn)定性好，在300℃下長期加熱，其熱損失很低；同時具有與石墨相似的層狀結(jié)構(gòu)和良好的潤滑性能，可在高溫、高壓、高載荷、沖擊載荷條件下使用；在高溫、高速、低溫、低速或溫差急劇變化的條件下具有穩(wěn)定的潤滑特性。MCA可取代二硫化鉬和聚四氟乙烯，是一種潤滑效果極佳的新材料。MCA還可與聚四氟乙烯、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚苯硫醚樹脂等組成復(fù)合材料，應(yīng)用于特殊要求的潤滑材料中?！鲇袡C固體潤滑劑在航空航天上的應(yīng)用N）場合I'簡化1航空-航天有機固體潤滑劑能夠適應(yīng)極高溫（800℃）、極低溫（-253℃）、超高真空（低于和強輻射（107J/Kg以上）等嚴(yán)酷的使用條件。適合于給油不方便、裝拆困難的潤滑維修，而且還能夠承受巨響、強振動、強沖擊和失重條件下的影響，因此，領(lǐng)域占有不可替代的一席之地。典型人造衛(wèi)星系統(tǒng)需要潤滑的部分，包括有遮熱罩、太陽能天線驅(qū)動裝置、傳感器、扭矩馬達(dá)、陀螺、星球跟蹤裝置、掃描器、天線驅(qū)動裝置、輻射計、閘板機構(gòu)、步進(jìn)馬達(dá)、磁帶錄音機、活塞、萬向接頭、閉鎖（latch）機構(gòu)，及鉸鏈（hinges）等機件。其中衛(wèi)星中的滑動器、活塞密封圈、軸套、軸瓦、軸承和步進(jìn)電機等，大量用到PTFEN）場合I'簡化1航空-航天（85%）加玻璃纖維（15%）或PTFE（70%）加銅粉（30%）組成的復(fù)合固體潤滑劑制成。在飛機和航天飛機上，也大量的運用到有機固體潤滑劑。例如，短纖維增強的PEEK可以制作軸承保持器、凸輪、飛機操縱桿等。PEEK還可以制成長纖維增強的復(fù)合材料，英國ICI公司已經(jīng)推出商品化的PEEK樹脂基的復(fù)合增強材料，用于制作直升飛機的尾翼等結(jié)構(gòu)件。飛機上常用的有機復(fù)合潤滑劑主要有兩種形式：DU型和背襯型背襯型所使用的抗摩擦層是由PTFE纖維與玻璃纖維（或碳纖維、或芳綸纖維）編織而成的一種織物。目前主要依靠進(jìn)口，成本較高。DU型是目前用得最廣的稱為“金屬塑料”的復(fù)合材料。DU的軸承材料，是在軟鋼板上鍍一層30?50m的青銅，再燒結(jié)一層多孔青銅球粒，浸漬或滾涂PTFE（聚四氟乙烯）填充孔隙，再經(jīng)過燒結(jié)，扎制，整形而制成的金屬塑料軸承。既保持了PTFE低摩擦系數(shù)的特點，又具有足夠的機械強度，高的承載能力，散熱性好，耐磨。廣泛用于飛機和宇宙飛船上的高溫，重載滑軸承中。我國在“兩彈一星”、“神舟飛船”、“航天航空”等尖端機電產(chǎn)品研制過程中，積極進(jìn)行有關(guān)潤滑新材料制備和摩擦機理的研究和分析。經(jīng)過反復(fù)不斷地研制、試驗，一批批與傳統(tǒng)潤滑材料在概念和機理上完全不同的固體潤滑材料相繼研制成功：“物理氣相沉積潤滑膜”、“粘結(jié)固體潤滑涂層”、“金屬基高溫耐磨自潤滑復(fù)合材料”、“聚合物自潤滑復(fù)合材料”、“納米潤滑材料”等不勝枚舉。參考文獻(xiàn):石淼森.切削中的摩擦和切削液[M].北京:中國鐵道出版社,1994.石淼森.MoS2在金屬切削中的應(yīng)用[J].機械科學(xué)與技術(shù),1995,15（4）:31-33.歐風(fēng).合理潤滑技術(shù)守則[M].北京:石油工業(yè)出版社,1993.煤炭工業(yè)部供應(yīng)局.材料使用手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983.彭福全.實用非金屬材料手冊[M].長春:吉林科技出版社,1991.《機械工程手冊》編委會.機械工程手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1982.KLOCKEF,EISENBLATTERG.Drycutting[J].AnnalsoftheCIRP,1997,46（2）:519-526.櫻井俊男.切削液及其添加劑[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987.SODERBERGStaffan.Advancesinmetalcuttingtoolmaterials[J].JournalofMetallurgy,1997,26（1）:65-70.WEIW,LANKFORDJ.Frictionandwearofionbeammodifiedceramicforuseinhightemperatureadiabaticengines[J].MaterialScienceEngineering,1987,90:307-315.DENGJX,DINGZL,ZHAOJ,etal.Developmentandperspectiveofself-lubricatingtoolmaterials[J].ToolEngineering,2002,36（12）:8-11.[12]ShiMS（石淼森）.Solidlubricationmaterials（固體潤滑技術(shù)）2]上6幣口8（北京）：ChemicalIndustryPress（化學(xué)工業(yè)出版社），2000,18-20.[13]XingYQ（邢玉清）.Thermoplasticandcompositematerial（熱塑性塑料及其復(fù)合材料）[M].Harbin（哈爾濱）：