基于电泳法的石墨烯涂层制备与摩擦学性能研究

采用电泳沉积方法在硅基体上制备石墨烯涂层,研究了不同电压对石墨烯涂层表面形貌、微观结构与摩擦学性能的影响,并在往复式球盘摩擦磨损试验机上研究了石墨烯涂层在不同载荷(1~9 N)下的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜、能谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪分析石墨烯涂层的表面形貌、结构特征、磨损表面形貌及石墨烯结构成分的变化.结果表明:石墨烯涂层可将硅基体的表面摩擦系数从0.6降至0.1;在低压(15~60 V)条件下电泳制备的石墨烯涂层具有更加致密的微观结构,表面承载能力强,减摩性能优异.本研究中揭示了基于电泳法制备的石墨烯涂层作为固体润滑涂层应用的可行性.     

矿井提升钢丝绳改性氧化石墨烯润滑油减摩特性研究

针对恶劣提升工况下润滑失效导致的提升钢丝绳内部钢丝摩擦磨损严重的问题,开展改性氧化石墨烯润滑油减摩特性研究. 首先,制备十八胺官能化氧化石墨烯(ODA-GO)及其水合肼还原材料(ODA-rGO),分析其化学结构、表面形貌、片层间距和缺陷,探究其在钢丝绳润滑油IRIS中的分散性;接着,用四球机评价改性润滑油的减摩抗磨性能并研究其润滑机理;最后,评判ODA-GO改性油对钢丝减摩的改进效果. 结果表明:ODA通过酰胺化反应和亲核取代反应接枝在GO表面,ODA-GO拥有高接枝密度的十八烷基链,并在IRIS中分散性较好,ODA-rGO则相反,但在最优添加量下ODA-rGO的抗磨减摩性优于ODA-GO;改性石墨烯基材料会附着在摩擦接触表面,并填补已损伤区域,从而减少磨损;ODA-GO改性油使钢丝间摩擦系数降低10%,疲劳磨损显著降低.      

多层石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能研究

采用液相超声直接剥离法制备了不同厚度的纳米石墨烯片,用SEM、TEM对其形貌进行了表征,利用多功能往复摩擦磨损试验仪考察了石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能.通过SEM、EDS、XPS等手段,分析了磨损表面的形貌、元素组成和典型元素的化学状态,初步探讨了石墨烯水分散体系的润滑机理.结果表明:所制备的石墨烯为厚度不一的多层石墨烯混合物,厚度范围为10~180 nm;石墨烯作为水基添加剂具有良好的减摩抗磨性能,使纯水的磨损机理发生转变,由严重的黏着磨损和腐蚀磨损转变为磨粒磨损,主要原因是在石墨烯水分散体系润滑下,磨损表面形成吸附减摩层和摩擦化学反应膜,两者协同作用,抑制Fe的氧化,减轻摩擦磨损.     

硼化菜籽油润滑添加剂的摩擦磨损性能研究

对菜籽油进行化学改性制备出硼化改性菜籽油,利用红外光谱仪对其主要官能团进行鉴定,分别采用四球摩擦磨损试验机和SRV摩擦磨损试验机考察了以菜籽油为基础油,以硼化改性菜籽油为添加剂润滑下钢-钢摩擦副和钢.铝摩擦副的抗磨减摩性能,采用扫描电子显微镜观察钢球磨斑表面形貌,通过对铝合金磨痕表面分析,探讨硼化改性菜籽油添加剂的抗磨减摩机制.结果表明:以硼化改性菜籽油为添加剂,以菜籽油为基础油时钢·钢摩擦副和钢.铝摩擦副均具有良好的抗磨减摩性能,其润滑作用机制是由于长链菜籽油分子的载体作用、硼的缺电子性能及其二者的协同作用而在金属摩擦表面形成含硼、氧及碳等元素的表面保护膜.     

氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料摩擦学行为及机理研究

将氧化石墨烯(GO)原位引入4.4′-二氨基二苯醚(ODA)和3.3′,4.4′-联苯四甲酸二酐(BPDA)制备的聚酰亚胺中，得到氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料. 利用扫描电镜、红外光谱仪、高温同步热分析仪、万能试验机以及纳米划痕仪对所制备材料的形貌、组成以及热力学性能进行表征；利用多功能摩擦磨损试验机对比考察聚酰亚胺和氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料摩擦学性能. 结果表明:氧化石墨烯的加入显著提高了聚酰亚胺的模量和硬度；当GO的质量分数为0.1%和0.3%，复合材料的摩擦学性能较好. 研究发现，摩擦过程中金属对偶表面形成的转移膜对聚酰亚胺复合材料的摩擦学性能起重要作用.      

Cr12MoV钢离子渗氮和硫、碳、氮复合共渗层摩擦学性能研究

采用离子渗N和S、C、N复合共渗技术在Cr12MoV钢表面制备了由硫化物组成的改性层，考察了改性层在不同润滑条件下的摩擦磨损性能，并采用扫描电子显微镜观察分析试样磨损表面形貌。结果表明：Cr12MoV钢表面经复合共渗处理后形成具有良好储油能力的多孔硫化物层，硫化物层在油润滑条件下可以显著提高Cr12MoV钢表面的摩擦磨损性能。     

两亲性氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶的制备及介质调控的摩擦学性能研究

为解决水凝胶在溶剂中机械强度差的问题,同时保持其表面低摩擦特性以满足软物质材料的润滑需求,文中通过使用N,N-二甲基甲酰胺/水(DMF/H_2O)混合溶剂,采用一步聚合法制备得到氧化石墨烯增强的两亲性氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶材料.利用流变仪测试了复合水凝胶材料的机械性能,结果表明疏水性组分聚甲基丙烯酸甲酯的对复合水凝胶起到了明显的增强作用.系统考察了氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶材料分别在不同亲疏水单体比例和不同DMF/H_2O混合比例溶剂中的溶胀和摩擦性能,结果表明两亲性复合水凝胶具有明显的介质响应行为,从而实现在不同溶剂环境下摩擦性能的调控.     

全合成机油润滑下热氧化改性TC4钛合金的摩擦学行为

通过热氧化改性技术，在TC4钛合金表面制备金红石相TiO₂氧化膜，利用XRD、拉曼、辉光光谱对氧化膜结构及成分进行了分析，利用摩擦磨损试验机考察了轻载(约1 GPa)与重载(约2 GPa)下热氧化改性前后TC4钛合金样品在5W-30全合成机油润滑下的摩擦学特性，并利用SEM和XPS对其磨损表面形貌及摩擦化学反应膜的化学成分进行了分析. 结果表明:热氧化改性后，TC4钛合金表面形成具有氧化层和扩散层的双层结构. 在油润滑条件下，与未处理的TC4钛合金表面相比，经过热氧化改性的TC4合金表现出优异的减摩抗磨性能，摩擦系数在轻载和重载条件下分别降低了75%和80%，磨损率均下降了近两个数量级. 其原因在于TC4合金热氧化改性后在表面形成的金红石相TiO₂氧化膜提高了表面硬度，同时改善了润滑油在表面的润湿，并可促进润滑油中抗磨极压添加剂在接触区表面形成含磷的摩擦化学反应膜，从而极大地提高了摩擦学特性.      

GO增强UHMWPE在透明质酸钠润滑介质下的摩擦学性能研究

采用UMT-3MT往复式滑动摩擦磨损试验机,研究在透明质酸钠(SHA)润滑介质下,氧化石墨烯(GO)对基体材料超高分子量聚乙烯(UHMWPE)摩擦学性能的影响.利用高分辨扫描电子显微镜(HR-SEM)和MicroXAM非接触式3D表面轮廓仪观察试样表面磨痕形貌并计算其磨损率.结果表明:在SHA润滑介质下,无机填料GO的添加显著降低UHMWPE基复合材料的磨损率,但是,GO的添加对复合材料稳态摩擦系数和残留在SHA润滑介质中的磨粒特征无明显影响.无机填料GO的添加增强了UHMWPE在SHA润滑介质下的耐磨性能.     

CF/PTFE纤维混编织物增强环氧复合材料干摩擦特性

采用碳纤维与聚四氟乙烯纤维(CF/PTFE)混编织物增强,制备了环氧树脂基自润滑复合材料,研究了钢背衬复合材料与45钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性,考查了纤维织物、摩擦热、载荷、速度对材料摩擦磨损性能的影响,用红外热像仪、热电偶及风冷方式对摩擦副温度进行监控,用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损面进行了观察与能谱分析.结果表明:与碳织物相比,混编纤维织物大大改善了复合材料的摩擦学性能,改善效果极大依赖于摩擦温度、载荷和速度参数.PTFE纤维磨损后在树脂基体及偶件表面形成减摩型转移膜层,材料表现为疲劳磨损特征.摩擦高温使复合材料摩擦学特性改变,黏结磨损加剧,偶件钢环表面出现氧化磨损,树脂基体塑性流动,摩擦力增大.混编纤维的排布方式影响复合材料的摩擦磨损性能,摩擦面上大量破碎的碳纤维易使偶件表面转移膜受到破坏,复合材料转变为以磨粒磨损为主,减摩主要源于磨屑中的润滑组分.     

钛合金表面自润滑复合耐磨结构的制备及其摩擦性能研究

本文中采用激光微加工法在TC4钛合金表面制备了不同形貌与分布密度的微观织构,将表面织构、热氧化膜与PTFE润滑薄膜相复合制备了自润滑复合耐磨结构,同时考察了滑动条件下织构形貌及织构密度对这一复合结构摩擦磨损性能的影响. 结果表明:与未织构面的润滑薄膜相比,织构面薄膜的结合力明显增大,表面织构与润滑薄膜的结合显著增强了材料的减摩抗磨性能. 在最优的织构密度下,含有薄膜的织构化钛合金表面的磨损率可降低至1.5×10?6 mm3/(N·m),较未织构面润滑薄膜的磨损率降低了99.3%. 而将经热氧化的织构表面与润滑薄膜的结合则进一步提升了材料的耐磨性,热氧化织构面润滑薄膜的磨损率最低可达8.0×10?7 mm3/(N·m),与未热氧化的织构面润滑薄膜相比,磨损率降低了46.1%. 在相同的织构间距条件下,线型热氧化织构面显示出低而稳定的摩擦系数与极低的磨损量,这主要得益于高密度微织构对润滑介质的有效补充以及高硬度热氧化膜的耐磨性起到了协同减摩抗磨的作用.      

PTFE@SiO2核壳型添加剂在不同实验条件下的水润滑性能

采用原位聚合法制备了聚四氟乙烯@二氧化硅(PTFE@SiO₂)复合粒子. 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、粒径分布仪以及傅立叶红外光谱仪(FTIR)对复合粒子的形貌、粒径分布和组成结构进行了分析. 结果表明:所制备的复合粒子呈核壳型复合结构,粒子尺寸处于亚微米级别. 分散性试验表明:该粒子在水中具有良好的分散性和稳定性. 利用LSR-2M往复式摩擦磨损试验机测试了不同试验条件下复合粒子在水环境中的摩擦学性能,结果表明:在常温、0.019 m/s滑动速率以及0.2 μm的钢盘粗糙度下,PTFE@SiO₂润滑剂具有最佳的摩擦学性能;相比于纯水和添加了PTFE/SiO₂的润滑剂,其摩擦系数降低了近80%,磨损体积减小了1~2个数量级. 分析表明:PTFE@SiO₂复合粒子优异的水润滑性能主要与核壳结构的存在以及在摩擦过程中形成的高质量转移膜密切相关.      

仿生人工软骨材料的摩擦磨损性能及润滑机理研究

采用原位复合法制备聚乙烯醇水凝胶(PVA-H),采用模板-滤取法制备多孔超高分手量聚乙烯(UHMWPE)材料,对比研究了这2种材料在相同条件下的摩擦磨损性能,通过改变试验转速和载荷获得Stribeck曲线,并对其润滑机理进行分析.结果表明:干摩擦条件下,多孔UHMWPE和PVA-H的摩擦系数和磨损量均较大;在水润滑和牛血清润滑条件下,二者的摩擦磨损性能均得以改善,且PVA-H具有更低的磨损量.Stribeck曲线分析表明:仿生UHMWPE具有的多孔结构使得在其一定的区域内可以形成混合润滑区域;PVA-H具有更好的亲水性能和多孔结构,对应的Stribeck曲线谷底较宽,能够形成较宽的混合润滑区域和流体润滑区域,从而降低了接触区域的磨损量.     

镀镍石墨粉与铜基自润滑材料摩擦磨损特性研究

采用粉末冶金复压复烧工艺制备铜基石墨复合材料,考察了不同载荷条件下铜基石墨复合材料的摩擦磨损性能.结果表明:在载荷20～60 N条件下,含6%(质量分数)石墨的铜基复合材料经历了轻微磨损、中等磨损到严重磨损3个过程;石墨颗粒表面镀镍可以提高石墨与铜合金基体的界面结合强度以及磨损过程中所形成的转移层与基体间的粘附性能,含6%镀镍石墨的铜基复合材料的自润滑性能得到改善,只经历了轻微磨损和中等磨损2个过程.     

温度对Cu-12.5Ni-5Sn-石墨自润滑复合材料摩擦学性能的影响

采用粉末冶金方法制备出了Cu-12.5Ni-5Sn-石墨自润滑复合材料，通过改变石墨的含量来研究该复合材料的力学性能和在不同摩擦试验温度下的摩擦磨损性能，采用SEM和Raman分析磨损表面，进而讨论复合材料的摩擦、磨损和润滑机制. 结果表明:复合材料的硬度和屈服强度随着石墨含量的增加而逐渐降低；温度对不同石墨含量的复合材料的摩擦磨损性能有显著的影响，在室温下，石墨质量分数为1%和3%的石墨复合材料的摩擦系数和磨损率明显小于5%石墨复合材料；在300 ℃下，石墨质量分数为3%时，复合材料的摩擦磨损性能最好；在500 ℃下，石墨质量分数为5%的石墨复合材料的摩擦磨损性能最好. 在室温下，复合材料具有较好自润滑性的主要原因是形成了几乎光滑连续的石墨润滑膜. 在300和500 ℃下，由金属氧化物和石墨组成的混合物润滑膜是复合材料保持自润滑性的主要原因.      

含污染物油润滑条件下n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的摩擦学性能研究

采用电刷镀技术制备了n-Al2O3／Ni复合镀层，在T-11型球一盘式摩擦磨损试验机上对比考察了快速镍镀层及纳米复合刷镀层在含污染物油润滑条件下的摩擦学性能．结果表明，由于纳米颗粒的强化作用，n-Al2O3/Ni复合镀层的硬度及含污染物油润滑条件下的耐磨性比快速镍镀层分别提高了60％和30％，其磨损机理在低载下以磨粒磨损为主，在高载下以粘着磨损为主。     

混合澄清槽搅拌装置滑动轴承设计及磨损性能研究

针对混合澄清槽搅拌装置运行工况的特殊要求,以改善其滑动轴承使用性能及寿命为目标,选用和研制WC-VC-Ni-Cr-Mo金属陶瓷复合材料(WN20)和铁-镍-铬-石墨-二硫化钼自润滑复合材料(FC13). 考察了复合材料的微观组织、力学和摩擦学性能,结果表明WN20金属陶瓷复合材料具有优异的力学性能,FC13金属基自润滑复合材料在干摩擦状态下具有良好的自润滑和抗磨损性能,是滑动轴承组件摩擦副轴瓦的合适材料. 根据固体润滑滑动轴承的设计原则,设计滑动轴承组件结构及相应的润滑方式. 采用C13金属基自润滑复合材料制造轴瓦,并通过嵌入特种润滑剂的方式进行辅助润滑,与WN20金属陶瓷轴组成摩擦副时,滑动轴承组件表现出优异的摩擦磨损性能,经过250 h摩擦试验,摩擦系数和轴瓦温度无显著变化,摩擦系数为0.08,轴瓦径向磨损量为3.8 μm,均满足混合澄清槽搅拌装置的使用要求.      

原位生成MoB增强Cu-Sn-Al合金复合材料的摩擦学性能研究

采用快速热压烧结方法成功制备了原位生成MoB增强的Cu-Sn-Al合金复合材料,研究了增强体添加含量对复合材料体系摩擦学性能的影响,并对其摩擦磨损机制进行了分析. 研究表明:在Cu-5Sn合金基体中添加MoAlB陶瓷颗粒后,烧结过程中,层状结构MoAlB陶瓷中的Al元素能够扩散到基体中,生成原位MoB增强Cu-Sn-Al合金复合材料. 此外,复合材料体系的硬度随着MoAlB添加量的增加逐渐提高,与Cu-5Sn合金相比,当添加MoAlB质量分数为30%时,复合材料硬度值提高了约5倍. 同时,随着添加MoAlB陶瓷颗粒含量的增加,复合材料体系摩擦系数和磨损率逐渐降低,当添加的MoAlB陶瓷颗粒质量分数为30%时,复合材料摩擦系数和磨损率分别低至0.33和5.4×10?5 mm3/(N·m). 由于原位生成MoB颗粒的钉扎效应,在摩擦过程中能够抑制基体材料的塑性变形,使得材料体系的硬度显著提高,磨损率明显降低,摩擦过程中表面生成的摩擦氧化物,能够降低材料体系的黏着磨损和二体磨粒磨损,可以起到优异的抗磨减摩效应.      

石墨相形态对铜/石墨复合材料摩擦学性能和可靠性的影响

采用真空热压烧结工艺制备了石墨相形态为粉体(粒径约5 μm)、鳞片状(粒径445~636 μm)和近球形颗粒状(粒径200~300 μm)的铜/石墨复合材料,考察了以Al₂O₃陶瓷为摩擦副条件下石墨相形态对铜/石墨复合材料摩擦磨损性能及作用机制的影响,并探讨了材料在外载作用下的可靠性. 结果表明:石墨相形态不同时,石墨相和金属铜在材料中的分布方式也随之改变,进而影响到材料的摩擦学性能和力学性能. 在保持复合材料中石墨相含量不变的基础上,将石墨相形态从微米级粉体转变为各向异性的大块鳞片状石墨,再转变为各向同性较好的大尺寸近球形颗粒状石墨时,石墨相在材料中与金属铜形成的弱界面含量逐渐减小,金属铜的三维连续性变得更好. 材料在受到外载破坏时,从石墨相与铜基体界面萌生裂纹的扩展应力可被连续金属铜及时吸收钝化,使材料抵抗裂纹破坏的能力明显提高. 当石墨相为近球形颗粒状时,材料的抗弯强度、抗压强度、断裂韧性和冲击韧性分别高达155.4±3.6 MPa、353.5±24.7 MPa、5.3±0.6 MPa·m1/2和4.0±0.4 J/cm2. 此外,石墨相形态对材料的摩擦学性能也有重要影响,当石墨相以粉体形态存在时,石墨相与金属铜间形成的弱界面越多,铜基体的连续程度被石墨显著割裂,在摩擦力作用下割裂的铜颗粒易被剥离进入摩擦界面,与摩擦副形成“三体”磨损,导致材料的大量磨损. 当石墨相以鳞片状形态存在时,石墨相的聚集程度相对增加,使得金属铜的连续程度相对提高,可避免发生类似复合粉体形态石墨材料的磨损. 但是,鳞片状石墨呈大块片层状,形状各向异性,随着材料表面鳞片石墨的摩擦损耗,或者垂直于材料表面的鳞片石墨较多时,将造成摩擦副间摩擦系数较大的波动. 当石墨相为近球形颗粒状时,较为均匀的石墨相空间分布状态、三维连续结构的铜基体和润滑相/承载基体呈现的软/硬交替结构使得铜/石墨复合材料具有低且平稳的摩擦系数以及优异的减摩抗磨性能. 本文中以Al₂O₃栓为摩擦对偶时,复合材料的摩擦系数和磨损率分别低至0.13±0.02和5.4×10?6 mm3/(N·m).      

ATP改性UHMWPE水润滑轴承材料的摩擦学特性研究

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)轴承材料在低速重载工况下常发生严重磨损,通过添加改性填料能够显著提升其摩擦学性能. 凹凸棒土(ATP)作为一种改性填料能够增强基体材料的机械性能进而改善其摩擦特性,但是ATP作为填料往往会因为团聚效应而降低材料的补强效果. 通过对ATP进行表面改性处理可克服团聚效应,实现ATP与基体间的均匀共混. 通过表面化学包覆改性法制备由硅烷偶联剂KH570改性处理的ATP与UHMWPE共混制成复合材料,并与纯UHMWPE材料作对照试验. 利用RTEC摩擦试验机研究复合材料在水润滑条件下摩擦系数随载荷和转速的变化,以及材料填充含量对复合材料在低速重载(v=0.55 m/s、F_z=55 N)工况下磨损性能的影响. 利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)与电子万能材料试验机分别对ATP改性效果、熔融结晶行为及复合材料的重要力学性能进行表征测试. 试验结束后,利用表面轮廓仪与激光共聚焦显微镜观察复合材料表面形貌并分析其磨损机理. 结果表明:硅烷偶联剂KH570对ATP的改性效果良好,填充改性ATP能提高材料的邵氏硬度,且材料的拉伸性能随填充含量的提高呈下降趋势;对比纯UHMWP材料,复合材料的摩擦系数更低,适量的ATP填充能改善材料磨损性能,减小体积磨损率;试验中改性ATP质量分数为1%的复合材料其摩擦学性能最优,在低速重载时的摩擦系数及体积磨损率与纯UHMWPE相比分别降低了52.45%和37.58%.