（机械设计及理论专业论文）纳米nbse2铜基自润滑材料的制备及摩擦学性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在无油或少油润滑状态下，自润滑材料显示了独特的优越性。铜基白润滑复 合材料是金属基自润滑复合材料的重要组成部分，具有优良的摩擦学特性，以及 具有导电、导热、抗氧化、耐腐蚀等性能而得到了广泛的应用。 铜一石墨- m o s 2 是典型的滑动电接触材料，广泛用于电机的固定部件和旋转 部件( 换向器或集电环) 之间传导电流。对于滑动电接触材料，要求其具有低接 触电阻，以减少电功率损耗；同时又希望其具有低的摩擦磨损。铜一石墨- m o s 2 主要依靠c u 改善材料的导电导热能力，依靠石墨和m o s 2 的减摩和自润滑来改 善材料的摩擦学特性。但铜一石墨一m o s 2 存在如下问题：m o s 2 的电阻率高，导电 性能差；石墨虽然导电性能好，但在真空环境中摩擦磨损严重。随各类电机仪表 朝小型化，大电流，高速度方向发展，要求电接触材料的允许线速度大，接触电 压低，摩擦系数小，磨损率低，载流能力大，而铜一石墨一m o s 2 电接触材料在性 能上难以满足这些要求。 纳米n b s e 2 具有和m o s 2 类似的晶体结构和摩擦学特性，而电阻率仅为 1 0 。4 n c m 比m o s 2 低六个数量级，比石墨低一个数量级。用片状n b s e 2 a g 制备 的复合材料在航天飞机的导电滑环上有成功的应用，而n b s e 2 纳米纤维既有减摩 耐磨的作用，又可以提高复合材料的力学性能。同时利用n b s e 2 纳米纤维的各向 异性的特点，可以在提高其导电性的同时，改善其换向能力。以往对于n b s e 2 一c u ( a g ) 的研究多是片层状的，对于纤维状的n b s e 2 的摩擦特性的研究还未见报 道。 本文选用铜基体，选用合适大小和含量的纳米n b s e 2 材料充当固体润滑组 元。采用粉末冶金方法，制得纳米n b s e 2 铜基固体润滑复合材料。结果表明，在 一定温度下，烧结工艺对改善纳米n b s e 2 和铜基体界面结合的效果有一定影响。 通过不同条件下的摩擦磨损试验，以及运用扫描电镜、x 一射线衍射仪、光电子能 谱仪等微观分析手段，对复合材料显微组织、磨痕表面形貌、磨损颗粒的成分组 成进行分析，探讨了在室温下铜基自润滑复合材料的摩擦磨损行为及机理。主要 内容包括以下： 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 采用固相反应法：在不同的温度和保温时间下，硒单质和金属n b 在密 封的石英管内加热进行反应，分别生成了大量纳米n b s e 2 纤维和片状材料。对所 合成的纳米材料分别用t e m 、s e m 、x r d 等测试手段进行表面形貌和结构成分 的表征。 ( 2 ) 将制备出的纤维状和片层状纳米n b s e 2 材料作为润滑添加剂与铜粉相混 合，通过粉木冶金法制备出含纳米n b s e 2 的铜基复合材料。用u m t 一2 型微观摩擦 磨损试验机对它们的摩擦学性能进行了初步研究。结果表明：发现纳米n b s e 2 的 加入能较大程度的改善铜基复合材料的减摩性能，且纤维状纳米n b s e 2 较片层状 纳米n b s e 2 更能改善铜基复合材料的摩擦学性能。通过对摩擦数据和两种n b s e 2 微观结构的分析，对摩擦机理进行了初步推测，认为纳米n b s e 2 材料对复合材料 的摩擦学性能改善是由其独特的闭合结构、润滑膜的形成、纳米材料的填充自修 复共同作用的结果。 关键词：n b s e 2 纳米纤维，生长机理，铜基自润滑材料，摩擦磨损机理 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e l f - l u b r i c a t i n g ( s l ) m a t e r i a l se x h i b i ts u p e r i o rp e r f o r m a n c e se s p e c i a l l yi nm a n y c a s e sw i t hal i t t l eo i lo rw i t h o u to i l c o p p e r ( c u ) m a t r i xs lc o m p o s i t e ，a so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tm e t a lm a t r i xs lc o m p o s i t e s ，i sw i d e l yu s e do w i n gt oi t se x c e l l e n t t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，o x i d i z a t i o nr e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ee t c r e c e n t l y , t h eg r a p h i t e m o s 2 c uc o m p o s i t e sa r et h et y p i c a l s l i d i n ge l e c t r i c c o n t a c tm a t e r i a l s ，a p p l i e di nc o n d u c t i n gt h ee l e c t r i cc u r r e n t sb e t w e e nt h ef i x e dp a r t s o fe l e c t r i cg e n e r a t o ra n dt h er o t a t i n gc o m p o n e n t sw i d e l y b u tt h e s ec o m p o s i t e sh a v e t h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：t h em o s 2h a dt h eh i l g he l e c t r i c a l r e s i s t i v i t ya n di n f e r i o r e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ；t h eg r a p h i t ea n dm o s 2w e r em o r ed u c t i l e ，w h i c hd e c r e a s e dt h e l o a dc a p a c i t y ，w e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa n dw e l d i n gr e s i s t a n c eo ft h ee l e c t r i cc o n t a c t m a t e r i a l s w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fa l lk i n d so fe l e c t r i c a li n s t r u m e n t si n t o m i n i a t u r i z a t i o n ，l a r g ev o l t a g ea n dc u r r e n t ，h i g hs p e e d ，t h ee l e c t r i cc o n t a c tm a t e r i a l s w e r er e q u i r e dt oh a v el a r g ec r i t i c a ll i n e a rv e l o c i t y , l a r g ec a r r y i n gc a p a c i t y , l o wc o n t a c t v o l t a g e ，l o w f r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，l o ww e a rl o s s ，b u tt h e s ep r o p e r t i e s o ft h e g r a p h i t e m o s 2 c uc o m p o s i t e sw e r ed i f f i c u l tt om e e tt h ea b o v er e q u i r e m e n t s h o w e v e r ，n b s e 2w i t ht h es i m i l a rc r y s t a l l i n es t r u c t u r ea n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s o fm o s 2 ，b u tt h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yi so n l y1 0 - 4 q c i l lt h a ts i xa m o u n tl e v e l sl e s st h a n t h a to fm o s 2 ，o n el e s st h a nt h eg r a p h i t e n b s e 2h a dn o to n l ya n t i - f r i c t i o na n dw e a r r e s i s t a n c e ，b u ta l s oi m p r o v e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e s m e a n w h i l e ， t h e a n i s o t r o p yo fn b s e 2i m p r o v e dt h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t ya n dc o m m u t a t i n g c a p a b i l i t y s of a rt h er e s e a r c hi n t on b s e 2 - c o p p e r 池) c o m p o s i t e sh a sm u c hf o c u s e d i i i 江苏大学硕士学位论文 o nt h el a y e r e ds t r u c t u r e ( s u c ha ss h e e t s ) ，t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h en b s e 2 n a n o f i b e rh a sn o tb e e nr e p o r t e d i nt h et h e s i s ，t h eb r o n z ew a ss e l e c t e da st h em a t r i x ，a n dn a n o - n b s e 2m a t e r i a l s w i t ha p p r o p r i a t es i z ea n dq u a n t i t yw a sa d d e da st h es o l i ds e l f - l u b r i c a n t t h ec o p p e r m a t r i xc o m p o s i t e sw i t hn b s e 2n a n o f i b e ro fl o we l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ya n de x c e l l e n t a n t i f r i c t i o na n dw e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e sw e r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db yp o w d e r m e t a l l u r g y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m b i n a t i o no ft h ei n t e r f a c e sb e t w e e nm a t r i x a n dn a n o - n b s e 2m a t e r i a l sw a sa f f e c t e db yt h eh i g ht e m p e r a t u r es i n t e r i n gp r o c e s s a f t e rt h ew e a ra n df r i c t i o nt e s t s ，t h em i c r o - s t r u c t u r e s ，f r a c t u r em o r p h o l o g i e s ，w o r m s u r f a c e s ，c o m p o s i t i o na n dm o r p h o l o g yo fd e b r i so ft h ec o m p o s i t es a m p l e s w e r e a n a l y z e db ys e m ( s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ) ，x r d ( x - r a yd i f f r a c t i o n ) ， e d s ( e n e r g yd i s p e r s i o ns p e c t r o m e t e r ) ，r e s p e c t i v e l y t h e w e a rb e h a v i o r sa n d m e c h a n i s m sw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i li nt h er o o mt e m p e r a t u r e d u r i n gt h ew e a r t e s t s ，n a n o n b s e 2m a t e r i a l sw e r ep r e s s e da n dm o v e dt os u r f a c e ，a n dt h e ng r a d u a l l y d e f o r m e di n t oc o n t i n u o u st h i ns o l i dl u b r i c a t i n gf i l m t h es o f o r m e df i l mw a st i g h t l y a d h e r e do nt h ef r i c t i o ns u r f a c e sa n dc a u s e dg o o da n t i - f r i c t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r e f o l l o w i n g ： ( 1 ) n b s e 2n a n o f i b e r so rs h e e t sw e r eo b t a i n e db yh e a t i n gs e a l e dq u a r t z a m p o u l e sb ym i x e ds ea n dn bi nh i g ht e m p e r a t u r eb o x e df u r n a c e b e s i d e s ，t h e m i x t u r eo fs ea n dn bp o w d e r sw e r em i l l i n gi nh i g he n e r g yb a l l - m i l l i n gm a c h i n e ，t h e m i x t u r ea f t e rm i l l i n gw e r eh e a ti nt u b u l a rf u r n a c e ，al o to fn b s e 2n a n o p a r t i c l e s p r o d u c e d t h ec o m p o n e n ta n dm i c r o s t r u c t u r eo fn b s e 2w e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so f 江苏大学硕士学位论文 x r a yd i f f r a c t i o n ( x r o ) ，s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dt r a n s m i s s i o n e l e c t r o n i cm i c r o s c o p ef r e i ) ( 2 ) n b s e 2n a n o f i b e r so rs h e e t sw e r em i x e dw i t hb r o n z ep o w e ru n i f o r m i t y , t h e n c o p p e rc o m p o s i t e ss i n t e r e dm a t e r i a l sw i t hn b s e 2n a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db ya p r o c e s so fp o w d e rm e t a l l u r g y t h ef r i c t i o na n dw e a rp e r f o r m a n c eo fc o m p o s i t e sw e r e i n v e s t i g a t e db yu m t - 2m u l t i - s p e c i m e nt e s ts y s t e m i t w a sf o u n dt h a tt h e i n c o r p o r a t i o no fn b s e 2n a n o p a r t i c l e sc o n t r i b u t e dt oe f f e c t i v e l ys t e a d yt h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n t su n d e ra l lk i n d so fl o a d sa n di m p r o v et h ea n t i f r i c t i o np e r f o r m a n c eo ft h e c o m p o s i t e s ，w h i c hw a sa t t r i b u t e dt ot h es e l f - l u b r i c i t yo ft h en b s e 2n a n o p a r t i c l e s l u b r i c a t i n gf i l mf o r m e do nt h ew o r nc o m p o s i t es u r f a c e ，a n dn b s e 2n a n o f i b e r sa ss o l i d l u b r i c a n t si si m p r o v i n gt h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sb e t t e rt h a nn b s e 2s h e e t si nt h e c o p p e r - b a s ec o m p o s i t e s t h ef r i c t i o nm e c h a n i s m o fl u b r i c a t i o nw a sd i s c u s s e d p r e l i m i n a r yb a s e do nt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n td a t aa n dm i c r o s t r u c t u r eo fn b s e 2 n a n o p a r t i c l e s t h el u b r i c a t i o nh a se x c e l l e n tt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sm a yb ed u et ot h e f o l l o w i n gf a c t o r s ：u n i q u ec l o s e ds t r u c t u r e s ，l u b r i c a t i o nf i l m sa n d f i l lu p r e p a i r k e y w o r d s ：n b s e 2n a n o f i b e r s ，g r o w nm e c h a n i s m ，c o p p e rs e l f - l u b r i c a t i n gm a t e r i a l s ， f r i c t i o na n dw e a l m e c h a n i s m v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密。 、 、 学位论文作者签名：又i 1 兀 指导教师签名： u 加7 睥月1 日 沙，口年f 月 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：多d 础 、，、 日期： 参7 。、了 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着现代机器与机构的运转速度和负荷的急剧增高，以及由于宇航、核能、 军工、低温技术的发展和食品、制药等行业对安全、卫生的要求，导致许多工况 条件处于无油润滑或少油润滑状态下，此时，自润滑材料显示了独特的优越性。 自润滑是由自润滑材料本身含有的润滑介质，在工作过程中逐渐向配对副摩擦界 面转移形成润滑转移膜实现的【 】。实践证明，家用电器、纺织机械、食品机械、 制药机械、办公设备、精密机械以及冶金、宇航、军工等特殊领域的滑动轴承及 其他摩擦组件是自润滑材料最合适的应用领域。 摩擦学直接关系到机器设备的可靠性、耐久性和能量利用率，现代科学技术 的发展，特别是航天技术和空间技术的发展，使得材料在高温条件下的摩擦、磨 损和润滑问题日益受到重视，一般的润滑油和润滑脂由于在高温环境下都有容易 蒸发的缺点，因而需要研究和发展相适应的高温润滑剂和自润滑复合材料。另外 空间机械的许多部件都是在真空、超低温和特种腐蚀介质中工作的，如液氢泵、 液氧泵轴承等都是在绝对温度1 0 0 k 下工作，因此，在极端工作条件下的润滑问 题是摩擦领域的重要课题【4 】。从而设计出从低温到高温宽温度范围使用的复合材 料具有实用意义。 固体润滑材料能满足高负荷、高真空、高低温、强辐射和强腐蚀等特殊工 况下对润滑的要求，能适应复杂的工作环境，为机械设备实现大型化、微型化、 高速、重载和自动控制等创造了有利条件。固体润滑材料还可以延长机器寿命， 提高机械设备的可靠性和经济性【5 川。 固体润滑现象是很复杂的，影响因素也很多。负载、速度、温度、环境介质 气氛、接触形式和运动形式等都与润滑效果直接有关。稍微改变其中的某一因素， 就可能导致润滑效果的急剧改变【羽。这就是说，固体润滑材料的润滑特性是工况 条件与材料的机械、物理和化学性能综合反映的结果。 固体润滑是用固体微粉、薄膜或复合材料代替润滑油( 脂) ，隔离相对运动的 摩擦面以达到减摩和耐磨的目的。这种能够降低摩擦、减少磨损的固体物质称为 江苏大学硕士学位论文 固体润滑剂。常用的固体润滑材料包括具有层状晶体结构的物质如石墨、m o s 2 、 w s 2 、六方b n 等；软质金属如a u 、a g 、p b 、z n 、i n 、s n 等；高分子材料如聚 四氟乙烯、尼龙、树脂等；金属氧化物如p b o 、m o n i 0 4 等。其作用机理和使用 方法的研究也得到迅速的发展，并出现了许多制造设备和应用这些材料的新工艺 新技术。利用固体润滑剂对摩擦面进行润滑的技术称为固体润滑技术【9 - o 】，实现 固体润滑的方法大致分为：使用固体润滑粉末，固体润滑覆膜和固体润滑涂层。 以往的研究侧重于单一种固体润滑材料，而实际的工况是很复杂的，单一种固体 润滑材料难以满足实际需要，目前，固体润滑材料已从单一的微粉粘结膜或单元 的整体材料发展成为由多种成分组成的复合材料。多种固体润滑剂的摩擦机理相 当复杂，还远远没有进行深入的研究。 固体润滑剂的出现克服了针对液体润滑的一些固有缺点。润滑油、脂都容易 蒸发，其蒸汽压较高，不能在1 0 。1 p a 以上的真空中长时间使用。而高度5 0 0 1 0 0 0 k m 的宇宙空间，真空度较高，因此，卫星需要采用蒸汽压力很低的固体润滑剂。运 载卫星的火箭，如果使用液体燃料，用作推进剂的是煤油和液氢，用作氧化剂的 是液氧，而液氧和液氢是沸点分别为1 8 3 和2 5 3 。c 的超低温液体【1 1 】，因而在将 它们从储罐加压输送到燃料室的涡轮泵的支撑轴上时，就不能使用润滑油，特别 是液氧，因其一旦与润滑油混合就有发生爆炸的危险，所以涡轮泵上的滚动轴承 就只能采用固体润滑剂【1 2 】。 1 2 自润滑复合材料 如图1 1 所示，自润滑复合材料按其自润滑机理可分为含油自润滑材料及含 固体润滑剂自润滑材料1 1 3 1 。含油自润滑材料是通过一定的加工处理方法，将润 滑油浸渍到复合材料内部( 如金属类含油材料及含油酚醛树脂) 或包容在基体材 料之中( 如含油聚甲醛、含油m c 尼龙等) 而产生自润滑性能。在干摩擦条件下 运转时，摩擦面上始终维持一层来源于含油材料本体的润滑油膜，以保证工作元 件的低摩擦、低磨损，同时也不会出现润滑油的溢出而引起环境污染。浸溃含油 自润滑材料通常都是多孔质含油材料，这种材料本体含油量的消耗受压力、温度 和油的粘度的影响显著，且油的消耗程度决定着自润滑材料的寿命，一般都要定 期供油补充来维持正常使用。而含油聚甲醛之类包容含油轴承材料，润滑油呈微 2 江苏大学硕士学位论文 粒子态均匀和离散分布，并包容在非多孔质塑料的内部。元件在运转过程中，通 过含油材料表面层的磨损和新表面的产生来实现摩擦面上润滑油的补充。因此， 包容含油自润滑材料可以在整个寿命期内适应干摩擦工况，在非保养状态下使 用。 畲油自澜滑辜l 耩 多孔l 贡盒滴材并 il 包客畲油劈辩 含 油 耪 束 冶 金 材 辫 台 油 醣 醒 钳 詹 含 油 爱 酝 亚 簋 含 油 钾 猫 昆 龙 舍 油 爱 毋 鬣 曩 蠢 固 体 溜 滑 刘 皇 渭 滏 材 飘 三 层 复 合 材 爵 星 并 基 固 捧 自 凋 潦 材 并 金 露 基 网 络 自 渭 滑 材 科 麓 瓷 基 圈 捧 自 凋 滑 材 科 图1 1 自润滑复合材料分类 f i 9 1 1k i n d s o ft h es e l f - l u b d c a n t s 当零部件工作在真空、高温等特殊工况时，含油自润滑材料已不再适用。此 时，含固体润滑剂的固体自润滑材料显示出了独特的优越性，它是通过其中所含 有的低摩擦固体润滑剂组分，来改善材料工作中的润滑状况，降低摩擦、减少磨 损，保证工作偶件间的正常运转。固体自润滑复合材料是以金属、陶瓷或非金属 为基体组元，加入固体润滑剂和一些附加组元，通过一定工艺制备而成的具有一 定强度和自润滑性能的复合材料。承载基体赋予自润滑材料强度、硬度、耐高温 等机械性能，以及抗氧化耐腐蚀性能；固体润滑剂具有自润滑效果，在摩擦副之 间形成固体润滑转移膜，赋予材料稳定的减摩、润滑性能。固体润滑最早是从航 空工业，空间技术等高技术领域开始应用的，因为在这些部门，很多机械零件是 在高温、高载荷、超低温、超高真空、强辐射等十分苛刻的条件下工作，这些条 件己超过了一般流体润滑剂的使用极限。 3 江苏大学硕士学位论文 1 3 固体自润滑复合材料 1 3 1固体润滑剂 用于固体自润滑材料的固体润滑剂，必须具有以下相应的特性和功能【1 4 1 ( 1 ) 易剪切性 使用固体润滑剂的目的之一是减少摩擦，因此必须容易剪切，也就是说固体 润滑剂的晶体必须具有容易滑动的滑移面。 ( 2 ) 易粘附性 若位于对磨面间的固体润滑剂受到剪切，变成微细磨屑而散落到摩擦系统之 外，结果就是其润滑效果消失。如果每次剪切变细的固体润滑剂粉末不断地排出， 则固体润滑剂的寿命很快就会结束；为了长时间维持固体润滑的性能，固体润滑 剂必须具有容易粘附在对磨面上的性质，并且能够充分剪切直到润滑作用消失为 止。 ( 3 ) 适应温度范围宽 在比较宽的温度范围内，固体润滑剂的性质不发生变化，应用范围更广。 ( 4 ) 时效变化小、无毒无害、润滑性具有随时间流逝而消失 很难长时间使用。同样，造成被润滑材料的时效变化也是一个问题，任何一 种润滑材料，不论它的润滑特性多么好，只要其对轴承和相关部件有腐蚀性，就 不能作为润滑剂使用。另外，固体润滑剂还要求无毒无害。 表1 常用固体润滑剂及性能 t a b 】i j s u a ls o l i dl u b r i c a n t sa n df u n c t i o n 密度翼氏曩旺蔓一l 系矗有皴l 虚 名纛 b曲hv p t f b21，004,020：r7s 傩4枷 0 s o i n p4翻d41珀 c - l t 3 1 04 0o 2 0 - o 2 56 ( x l m m o g b r乞o 参2 2 3 o 廖i 力 o 1 4 - 0 1 9s ( x ) - 6 ( x ) i 鹕2 4 6 2 - 4 舯1 o 。l jo i 鲫2 02 璺畦3 5 0 b n2 3 0 - ：3 3 020005 - 7 0 0 t e2 j 8 - 2 ，矗，l 柚1 k 2 52 0 0 瞳2 7 0 2 0 02 0- 0 2 ， ，8 ，z 一o 7 ”1 o - 1 5o 1 4 - 0 1 3 0 d s o t 电7 7 0 l 卜2 oo 1 9- 4 0 0 w s * a s 0 0i 卫啪o i o - o 1 7- 5 4 0 n h 8 电 6 2 s1 0 - 2 0o il 也1 7- ：3 5 0 m o 岛电 6 9 0i 0 - 2 0o 1 6 - 0 2 0- 5 4 0 4 江苏大学硕士学位论文 固体润滑剂的种类很多，有晶体为层状结构的石墨( g r ) 、m o s 2 、m o s e 2 、 w s e 2 、n b 等；有质地较软的金属，如a g 、i n 、p b 、s n 等；有高分子材料：册、 尼龙、聚乙烯、聚酞亚胺；另外还有金属氧化物、氟化物、磷酸盐、铝酸盐等。 这其中有适宜于大气中润滑的g r 、b n 等；有适宜于真空润滑的m o s 2 、w s 2 、 p b o 等；对于氟化物和金属氧化物则是在高温下软化而具有润滑性，因此必须根 据外界条件选择合适的固体润滑剂才能达到应有的减摩润滑效果，常用固体润滑 剂及性能如表1 所示【1 5 - 1 6 1 。 软金属因其低的剪切应力以及晶体没有方向性，而具有与高黏度流体相似的 润滑行为而得到重视，如面心立方结构的铅，熔点低、质地软，并且没有低温脆 性，在低速低温条件下具有较好的润滑效果，作为1 9 世纪3 0 年代诞生的巴氏合 金中的主要软质相，因减摩抗粘作用好，巴氏合金作为滑动轴承材料而得到广泛 应用【1 7 1 8 1 。铅的氧化物p b o 在常温下摩擦系数比较大，但在4 0 0 c 以上甚至显示 出比m o s 2 还要好的润滑性，研究表明其具有良好润滑性能的温度范围是4 8 0 8 5 0 1 1 9 】。p 1 r i 飞的润滑机理类似于软金属，低温条件下具有很低的摩擦系数，在滑 动轴承、导轨、滑板等减摩产品中得到广泛的应用，但因其不耐高温，而影响了 它的应用【捌。g r 是一种单质层状固体润滑剂，从室温到它的氧化温度5 5 0 c 之 前，它的摩擦系数是随温度上升而下降的，由于它可吸附水气而使层问易于滑动， 所以在潮湿大气环境中的摩擦磨损性能比干燥环境中的好，g r 在真空中直到 3 2 0 0 也不熔化，从这一点来看，g r 作为真空用润滑剂比在空气中更为合适， 但实际上，由于真空条件下吸附气体的消失，g r 失去了润滑作用，所以不能作 为真空用润滑剂【2 1 1 。m o s 2 与石墨不同，当遇到水蒸气时润滑性能下降，这是由 于硫原子与水形成氢氧化物，对材料有腐蚀作用，并使摩擦阻力增大。m o s 2 在 金属表面上的粘着强度比石墨高，在摩擦时不易被破坏，所以它能承受较高的载 荷。当温度超过3 5 0 时，空气中的m o s 2 会发生氧化与分解，失去润滑减摩作 用，然而在真空和惰性气氛中，m o s 2 在1 1 0 0 时仍有稳定的结构，因此m o s 2 作为高温真空条件下的首选固体润滑剂【2 2 1 。b a f 2 、c a f 2 等氟化物在强氧化和还 原气氛中很稳定，并且有不擦伤对偶件的特性，它们的熔点一般都在8 1 5 以上， 在高温下软化而具有润滑性，实际证明，6 2 b a f 2 3 8 c a f 2 共晶体因为有更低的熔 点和剪切力，所以具有比使用单种氟化物更好的润滑性能，可作为高温陶瓷用固 5 江苏大学硕士学位论文 体润滑剂 2 2 - 2 5 】。采用几种或多种不同性质的固体润滑剂的组合，诸如 g r + p t f e + p b 、m o s 2 + g r + z n s + c a f 2 、m o s 2 + p b o 的混合物，以及其它固体润滑 剂的组合，有可能改善单个固体润滑剂的润滑效果，并扩大其所使用的温度范围。 美国n a s a 发明的p m p s 2 1 2 材料中，含有a g 和b a f 2 c a f 2 共晶体，a g 的加入 保证了低温下的润滑效果，而b a f 2 。c 砒共晶体则保证了高温下的润滑性能，使 该材料可在8 0 0 以下整个温度区间使用【2 2 】。 1 3 2 固体自润滑复合材料分类 根据基体材质不同大致可将固体自润滑复合材料分为金属基、陶瓷基、和非 金属基等三大类。 1 3 2 1 聚合物固体自润滑复合材料 非金属材料主要指一些高分子聚合物材料，由于聚合物本身重量轻，具有较 低的摩擦系数，优良的机械性能及耐腐蚀性等优点，特别是各种填料的加入使其 耐磨性显著提高，正在被广泛的应用到减摩自润滑材料领域陋1 。目前常见的减 摩用聚合物有：聚酞亚胺( v i ) 、聚醚醚酮( p e e k ) 、聚四氟乙烯( m ) 、尼龙( p a ) 、 聚甲醛( p o m ) 、聚乙烯( p e ) 及聚对羟基苯甲酸酯( e k o n 0 1 ) 等。其中p 耵砸本身 也是一种良好的固体润滑剂，是研究较早、应用最广的耐热性聚合物基自润滑材 料，其分子结构规整，静摩擦系数可达0 0 4 ，是已知的可实用的滑动材料中摩擦 系数最小的【2 6 。3 1 】。然而，聚合物材料机械强度低、耐热和传热性能不理想，即使 环境温度不升高，但在摩擦条件十分苛刻的条件下，传热性能低的聚合物材料很 容易发生局部升温而达到耐热极限，因此不适宜高温、高速、重载等工作条件。 1 3 2 2 陶瓷基固体自润滑复合材料 新型结构陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度，以及优异的化学稳定性和 高温力学性能等特点，因此有关陶瓷基自润滑复合材料及摩擦学性能的研究同益 受到重视。e r d e m i ra 和s k o p pa 研究表明，由于软金属a g 和i n 等是热的良导 体，将其在导热性差的陶瓷表面成膜可有效降低陶瓷的摩擦磨损，改善其摩擦学 性能【3 2 - 3 8 。s l i n e y 等【3 9 】选择了c r 3 c 2 为陶瓷相，以n i 为粘结相，c a r 和b a f 2 的 6 江苏大学硕士学位论文 共熔物与银为润滑剂制备了性能优异的高温自润滑金属陶瓷涂层p s 2 0 0 ，对上述 配方进行调整可制得p s 2 1 2 涂层及p m 2 1 2 陶瓷复合材料，对解决斯特林发动机 等的高温润滑问题有重要意义【4 0 m 1 。王静波等【4 2 】考察了n i w c p b o 系自润滑金 属陶瓷的高温摩擦学特性，发现摩擦化学产物p b w 0 4 是该类材料具有优异摩擦 学特性的主要原因，直接加入p b w 0 4 时材料的摩擦学性能较好，但其机械性能 略差。对n i s i c p b o 系自润滑金属陶瓷的研究发现，硅酸铅具有较好的润滑性。 m u r r a y 等【4 3 】研究表明，钴的钼酸盐和钨酸盐对钴合金氮化硅陶瓷摩擦副的高温 润滑作用优良。陈晓虎研究了润滑组元( 石墨、氮化硼) 与氧化铝基体化学相容、 物理匹配关系及其对自润滑陶瓷材料摩擦学性能的影响，将氮化硼或石墨和氮化 硼同时引入a 1 2 0 3 陶瓷基体之中，润滑减摩性能明显提高【删。s k o p p 和w o y d t 对 以s i c 、s i 3 n 4 为基体，添加t i c 、t i b 2 以及b n 制备的陶瓷复合材料的干摩擦性 能进行了研究【4 5 】，结果表明：s i c t i c 在室温时有较低的摩擦系数( o 2 0 3 ) 。d o n g 等【4 6 l 则建立了s i c 磨损转变图，根据温度、载荷不同，可将材料的摩擦学性能 分为四种区域，每种区域材料的摩擦磨损机理都不相同，载荷、速度、表面粗糙 度、温度等都影响摩擦过程中材料的表面摩擦化学现象与机理，使材料表现出不 同的摩擦学性能。总体上讲，自润滑陶瓷材料成为解决极端苛刻工况条件下实现 自润滑要求的有效途径，但目前自润滑陶瓷材料的研究仍处于起步阶段，离实际 应用还存在一定的距离。 1 3 2 3 金属基固体自润滑复合材料 金属基固体自润滑材料是固体润滑剂作为润滑组元加入到金属基体中形成 的复合材料，它兼有金属基体的特性和固体润滑剂的摩擦学特性，适应在各种不 同的大气条件环境，化学环境、电气环境和高温、高真空等特殊环境条件下使用。 为保障复合材料有高的承载能力，金属基体必须具有高强度，要降低摩擦、减少 摩擦副摩擦系数，复合材料应有足够的固体润滑剂含量，而过高的固体润滑剂含 量势必影响自润滑材料的整体强度与硬度，降低承载能力，即自润滑复合材料必 须在强度与润滑性能之间加以妥协，强度与润滑性能的配合协调问题一直是该领 域的研究热点之一，有研究表明，在镍基合金中添加适量的稀土氟化物，可以获 得高强度和优异摩擦学性能相互统一的高温自润滑复合材料【4 7 。 7 江苏大学硕士学位论文 根据金属基体材质的不同，金属基固体自润滑材料有许多类，分别适应于不 同的工况条件。2 0 世纪7 0 年代，在m o 、n b 、t a 、w 等难熔金属中添加g r 、 p b o 、a g 、m o s 2 制备的自润滑复合材料受到人们的普遍关注，这类材料有高的 机械强度，低的摩擦系数，优异的耐磨性和良好的转移润滑性能，适用于极限条 件下工作。研究表明，4 0 8 0 w 和2 0 6 0 m o s 2 组合的自润滑材料有较高的强 度与摩擦学性能【铖5 0 l 。由于这些材料均属贵重材料，价格昂贵，特别是成型困难、 工艺复杂，目前逐渐被n i 基、c o 基、n i c r 基等高温耐热合金所制备的自润滑 复合材料所取代。将s 、m o s 2 、b a f 2 c a f 2 共晶体、软金属等添加到镍或镍铬合 金基体中制备的自润滑复合材料，在6 0 0 1 1 0 0 高温环境下具有良好的润滑性 能。李诗桌等人用自生氧化物减摩性制成了n i c u r e 高温自润滑合金，获得了 高温下0 2 - 0 3 的摩擦系数；在n i c f 合金基体中，s 、m o s 2 的加入与c r 在高温 烧结时，有新相c r 2 s 3 生成，电子衍射分析表明c r 2 s 3 为六方晶系，a 轴为5 9 4 2 a ， c 轴为1 1 1 8 8 , & ，原子层间易于滑动，是一种较好的润滑相，实际上，s 与c r 反 应不只是生成c r e s 3 ，还有多种硫化物生成( c r s 、c r s 6 、c r 7 s 8 ) ，分别属于六方 晶系或单斜晶系，其熔点都比较高，当它们形成共晶后，熔点可由1 3 0 0 。c 左右 降低到6 0 0 9 0 0 ，并在高温中易于变形，故在摩擦过程中，由c r 2 s ，形成的表 面膜可起润滑作用【5 1 2 1 。n i 基、c o 基、n i c r 基合金自润滑复合材料主要用于 5 0 0 。c 以上工况条件；5 0 0 以下应考虑使用铁、铜、铝等金属与合金自润滑复合 材料。铝基材料由于密度小、价格便宜、耐腐蚀和导电性好、摩擦系数低、与其 他材料相比，在制作滑动轴承方面具有更为理想的综合性能，越来越普遍地被作 为汽车轴承类自润滑材料使用。单纯的铝金属基体强度、硬度较低，通常采用 砧s n 系、一s i 系、c u 系、a 1 m g 系、越z n s i 系等合金基体，添加g r 、p b 、 m o s 2 等固体润滑组元的烧结铝基材料具有高的减摩性能，可替代锡青铜材料制 作低温下的滑动轴承材料【5 3 5 4 1 。然而铝基材料的致命弱点是强度低、耐热性能差， 当温度高于1 0 0 时，晶体结构就开始发生变化，所以铝基自润滑复合材料一般 用在低温低载工况条件下。由于铁基材料价格便宜、制作方便、具有较高的强度 硬度、耐磨性好，所以