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1、中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 固体自润滑材料及其研究趋势 近年来随着科学技术的发展，对各种设备及零部件性能提出了越来越高的要 求。而摩擦磨损是普遍存在的自然现象，世界摩擦学会的统计表明，由于摩擦损 失了世界一次性能源的1 3 以上；由于磨损每年造成的损失约占国民生产总值的 1 。为延长设备及零部件的使用寿命、节约材料与能源，在很多领域迫切需要 解决摩擦、磨损与润滑防护问题【剐。 润滑材料主要有：气体润滑剂、流体( 以油为主) 、润滑脂( 半固态) 及固体润 滑材料。液态、半固态润滑是传统的润滑方式，也是应用最为广泛的一种润滑方 式，但适用的温度范围较窄，在高温作用下承载能力下降
2、、润滑性能衰减，还会 造成环境污染等问题。因此，工况恶劣的场合下，传统的润滑方法已难以满足要 求。对于那些长期处于高温、高速、重载、干摩擦或边界润滑状态下的零部件， 减小与控制摩擦与磨损显得尤为必要。固体自润滑材料在性能上极大地突破了传 统材料的使用极限，广泛地被应用于电子、生物、航天航空等高科技领域，是润 滑领域最具有发展前景的一个方向。 1 2 1 固体自润滑剂的特性 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川。 ( 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
3、对摩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 宽温度范围内，固体润滑剂的性质不发生变化，适应更广的应用范围。 ( 4 ) 时效变化小、无毒无害 润滑性具有随时间流逝而消失的弱点，因此很难长时间使用，时效变化小， 使用时间长。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
4、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。 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 2 固体润滑剂的种类 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 、h - B N 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：P T F E 、 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 、h - 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
5、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 - 1 所示【引。 ( 1 ) 层状固体润滑剂 众所周知，层状化学物具有极易滑动的解理面，并因此产生极小的摩擦因数， 这一类化合物已得到了广泛的应用，其中以h - B N 、M o S 2 和石墨最为典型。 表卜1 常用固体润滑剂及性能 3 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 a 、石型9 】 石墨是已经得到广泛应用的一种固体润滑剂，不溶于任何溶剂。石墨晶体结 构中，碳原子在一个平面上形成六边形结构，层与层之间以大兀键结合，因此在 石墨层间的结合强度较小，具有较小的剪切
6、强度，摩擦因数也较低。但大量的实 验研究表明，石墨作为固体润滑剂必须吸收空气、氧气、湿气等才有较低的剪切 强度，这就限制了其在真空条件下的应用。通过深入研究，人们对此进行了解释， 一种观点认为，由于石墨吸收气体，使其层与层之间的距离增大，从而消弱了层 间大兀键的键能导致剪切强度变小；另一种观点认为，由于石墨晶体的棱缘具有 很高的活性，可与氧、水蒸气反应得到含不同氧化基团的表面，因此石墨在基团 中是由原来能量的解理面和大量降低了表面能的解理面组成，当在空气中产生滑 动时，无论是解理面与解理面、解理面与棱面、还是棱面与棱面之间的相互摩擦， 其相互作用都会很小。在真空条件下，由于原来棱面上的氧化基团
7、分解，并在棱 缘上和晶格的缺陷处留下自由基，使其表面能增加，导致棱面与棱面，棱面与解 理面之间的互相作用增加，从而导致摩擦增大。 与石墨相比，氟化石墨就不需要吸收空气来提供低的剪切强度，其应用温度 可高达5 6 0 ，具有良好的抗氧化性和润滑性能。其晶体结构中，层与层之间的 距离从原石墨的0 3 7 5 n m 增至0 8 1 7 n m ，这使层间兀键结合力大为降低，有利于 剪切强度的降低。氟化石墨中的配位数的值般从O 7 到1 1 不等，其值越大， 氟化石墨的热稳定和润滑性越好。 b 、二硫化钼【1 0 】 二硫化钼是一种具有各相异性的六方晶体结构的层状物质。在晶体的每一层 里，每个钼原子
8、被六个硫原子包围。二硫化钼的晶体由S M o S 三个平面层组成， 每层厚度仅有0 6 2 1 n m 。但是在0 0 2 5 m m 厚的二硫化铝晶体结构里，有4 万多个 滑移面。众多的滑移面使得原来相互运动的金属表面的直接摩擦转化为二硫化钼 层之间的相对滑移，从而降低摩擦因数，减少磨损。这就是二硫化钼具有良好润 滑性的根本原因。 c 、六方氮化硼( h B N ) 六方氮化硼属于六方晶系，它的结构类似于石墨，具有平面六角网层晶体结 构( 如图1 - 1 所示) ，其晶格常数为a = 0 2 5 0 4 3 衄，c = 0 6 6 5 6 2n m ，每一层由 B 原子和N 原子交替排列组成
9、一个平面六元环，沿C 轴方向各层原子按 A B A B 方式排列。层内B 、N 原子间的作用是强的s p 2 共价键，层问B 、N 原子间的作用是弱的范德瓦尔斯键，因而h - B N 沿C 轴方向键合力小，原子间距 较大，层问易于滑动，是良好的固体润滑剂。 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 A B 图1 - 1 六方氮化硼的结构 h B N 呈白色，不会造成环境的黑色污染，它具有高的熔点( 升华温度T c = 3 0 0 0 ) ，能耐2 0 0 0 的高温，其密度为2 2 8 9 c m 3 【1 1 1 。 文献【1 2 】中研究了以添加剂氮化硼作固体润滑剂的铁基、铜基和青铜基材料
10、的自润滑性能。h - B N 的含量超过2 - 3 时就阻碍了基体材料的烧结。提高氮化硼 的含量则严重降低材料的强度。在研究具有最佳强度的材料自润滑性能时，h - B N 的摩擦因数不稳定，在室温下的摩擦因数较高为0 3 ，摩擦时发现轴的磨损高、 有卡滞现象，并且摩擦因数不稳定，铁、铜基轴承中1 2 5 h B N 加入后摩擦因 数无法测出。 ( 2 ) 软金属固体润滑剂 软金属因其低的剪切应力以及晶体没有方向性，而具有与高粘度流体相似的 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
11、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 3 1 。 ( 3 ) 金属氧化物、氟化物、磷酸盐、铝酸盐等 铅的氧化物P b O 在常温下摩擦因数比较大，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 “ C1 1 4 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
12、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体润滑剂【1 5 1 。 5 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 ( 4 ) 高分子固体润滑剂 P n 砸的润滑机理类似于软金属，低温条件下具有很低的摩擦因数，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。 ( 5 ) 不同性质固体润滑剂的组合 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
13、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 一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 a F 2 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【阍。 1 2 3 固体自润滑复合材料的分类 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 ) 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 低的摩擦因数，优良的力学性能及耐腐蚀性等优点，特别是
14、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【丌。目前常见的减 摩用聚合物有：聚酰亚胺、聚醚醚酮( P E E 目、聚四氟乙烯( r r v E ) 、尼龙( P A ) 、 聚甲醛口O M ) 、聚乙烯( P E ) 及聚对羟基苯甲酸酯( E k o n 0 1 ) 等。其中咖本身 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，静摩擦因数可达0 0 4 ，是已知的可实用的滑动材料中摩擦 因数最小的1 1 引。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
15、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。 ( 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日益 受到重视。E r d e m i rA 和S k o p pA 【1 9 】研究表明，由于软金属A g 和A u 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。S l i n e y 等I 冽选择了C r 3 C 2 为陶瓷相，以N i 为粘结相，C a F 2 和B a F 2 的共
16、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 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 的高温润滑问题有重要意义【2 1 1 。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。 ( 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 擦副摩擦因数，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，即白润滑复合材料必须 在强度与润滑性能之间加以妥协
