CN108165344A - 一种自润滑材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自润滑材料，包括钛片衬底，所述钛片衬底的表面具有离子液体膜。本发明的自润滑材料，采用在钛片表面设置离子液体的方式方便实现自润滑，且离子液体蒸汽压极低，难以挥发，适合应用于太空，而普通润滑油在真空中易挥发难以维持，弥补了在太空这种真空极限环境中的应用空白；离子液体作为润滑油形态极为粘稠，能与界面之间形成范德华力以及氢键，作用紧密，能长久存留。还公开了自润滑材料的制备方法。该方法简单，可以方便实现自润滑材料的制备，且得到的自润滑材料性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及一种自润滑材料及其制备方法。
背景技术
在航空航天领域，最活跃在大家视线中的金属就是钛金属。钛的密度小，又具有高的热强性和持久强度，在振动载荷及冲击载荷作用下裂纹扩展的敏感度低，又有良好的耐腐蚀性，钛及其合金的强度与钢材的强度相当，但重量却是钢材的57％，因此钛合金在飞机发动机以及壳体结构中，普遍采用了高强度的钛及钛合金。目前，以钛合金为主制造的飞机在航空领域所占的比重已经具有了压倒性优势。在超音速飞机的重量构成中，用钛量要占到95％以上。此外，在发展火箭和其他航空发动机时，钛的应用比例也越来越高，据研究表明，全世界钛的一半产量都是应用在了航空发动机上。航天飞船的外衣为防高温侵袭，一般都采用钛合金制成。
然而，无论是发动机运转过程金属零件间还是飞船在升空过程外衣与大气之间，都有一个自然界广泛存在的现象“摩擦”。并且由于航空航天高速、高强压的特点，摩擦力极大，这对钛金属产生了不可避免的磨损。同时，高摩擦的存在产生阻力，限制速度的同时，增大能耗。
高摩擦的危害不止体现在航空航天领域。在航海领域，航母轮船船底与海洋河水之间的摩擦越大，航行速度越低，吸附水中水生物附着船底生长，使航行进一步减慢，能耗越大，CO2排放越大。降低摩擦的一大途径是涂抹润滑剂，传统润滑剂例如基础油，应用最为广泛，但其与界面作用力微弱，在高压以及反复压滑的过程中被挤出界面产生废渣，需定时补充。常用的基础油例如PTFE，含有氟离子，对金属有腐蚀作用。
因此，需要一种新的自润滑材料以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种自润滑材料。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种自润滑材料，包括钛片衬底，所述钛片衬底的表面具有离子液体。
更进一步的，所述离子液体为[P6,6,6,14][BOB]离子液体、[P6,6,6,14][BMB]离子液体、[P6,6,6,14][DCA]离子液体、[P4,4,4,8][BScB]离子液体或[P6,6,6,14][BScB]离子液体。经实验验证，采用上述离子液体可以达到较好的自润滑效果。
更进一步的，所述离子液体为带有四个或六个烷基链的硼基类离子液体。经实验验证，采用上述离子液体可以达到自润滑效果。
更进一步的，所述离子液体为无卤素离子液体。无卤素离子液体作为润滑油在金属界面避免腐蚀，普通润滑油通产含氟，对金属有腐蚀作用。
本发明的有益效果是：本发明的自润滑材料，采用在钛片表面设置离子液体的方式方便实现自润滑，且离子液体蒸汽压极低，难以挥发，适合应用于太空，而普通润滑油在真空中易挥发难以维持，弥补了在太空这种真空极限环境中的应用空白；离子液体作为润滑油形态极为粘稠，能与界面之间形成范德华力以及氢键，作用紧密，能长久存留。
本发明还公开了一种自润滑材料的制备方法，包括以下步骤：
1)、选用钛片作为衬底，清洗衬底表面；
2)、利用离子液体溶解于乙醇中得到离子液体-乙醇溶液；
3)、将步骤2)得到的离子液体-乙醇溶液滴至衬底上，涂抹均匀；
4)、乙醇挥发，离子液体在钛片上成膜，得到自润滑钛片。
更进一步的，所述离子液体为[P6,6,6,14][BOB]离子液体、[P6,6,6,14][BMB]离子液体、[P6,6,6,14][DCA]离子液体、[P4,4,4,8][BScB]离子液体或[P6,6,6,14][BScB]离子液体。经实验验证，采用上述离子液体可以达到较好的自润滑效果。
更进一步的，所述离子液体为带有四个或六个烷基链的硼基类离子液体。经实验验证，采用上述离子液体可以达到自润滑效果。
更进一步的，步骤2)中利用旋转涂抹法将离子液体-乙醇溶液涂抹均匀。旋转涂抹法可以简单方便的将离子液体-乙醇溶液均匀的涂抹在钛片表面。
更进一步的，步骤2)中离子溶液为无卤素离子液体。无卤素离子液体作为润滑油在金属界面避免腐蚀，普通润滑油通产含氟，对金属有腐蚀作用。
更进一步的，步骤1)中采用中性洗涤剂超声震荡清洗钛片表面
本发明的有益效果是：本发明的自润滑材料的制备方法简单，可以方便实现自润滑材料的制备，且得到的自润滑材料性能优良。
附图说明
图1为钛片上涂抹离子液体覆层得到的摩擦-荷载曲线；
图2为AFM摩擦测量示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2所示，本发明的自润滑材料，包括钛片衬底，钛片衬底的表面具有离子液体。其中，优选的，离子液体为[P6,6,6,14][BOB]离子液体、[P6,6,6,14][BMB]离子液体、[P6,6,6,14][DCA]离子液体、[P4,4,4,8][BScB]离子液体或[P6,6,6,14][BScB]离子液体。经实验验证，采用上述离子液体可以达到较好的自润滑效果。其中，离子液体为带有四个或六个烷基链的硼基类离子液体。经实验验证，采用上述离子液体可以达到自润滑效果。
其中，[P4,4,4,8][BScB]为三丁基-8-辛基(水杨酸)硼酸离子液体，[P6,6,6,14][BScB]为三己基-14-烷基(水杨酸)硼酸离子液体，[P6,6,6,14][BMB]为三己基-14-烷基(扁桃酸)硼酸离子液体，[P6,6,6,14][BOB]三己基-14-烷基(草酸)硼酸离子液体，[DCA]为二氟乙酸，统称为带有四个或六个烷基链的硼基类离子液体，[DCA]为二氟乙酸是市售的。
其中，离子液体(或称离子性液体)是指全部由离子组成的液体，如高温下的KCI,KOH呈液体状态，此时它们就是离子液体。在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，称为室温离子液体、室温熔融盐(室温离子液体常伴有氢键的存在，定义为室温熔融盐有点勉强)、有机离子液体等，目前尚无统一的名称，但倾向于简称离子液体。在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力为库仑力，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，它们之间的作用力越小，这种离子化合物的熔点就越低。某些离子化合物的阴阳离子体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，以至于熔点接近室温。
优选的，离子液体为无卤素离子液体。无卤素离子液体作为润滑油在金属界面避免腐蚀，普通润滑油通产含氟，对金属有腐蚀作用。
本发明的自润滑材料，采用钛片表面设置离子液体的方式方便实现自润滑，且离子液体蒸汽压极低，难以挥发，适合应用于太空，而普通润滑油在真空中易挥发难以维持，弥补了在太空这种真空极限环境中的应用空白；离子液体作为润滑油形态极为粘稠，能与界面之间形成范德华力以及氢键，作用紧密，能长久存留。
本发明还公开了一种自润滑材料的制备方法，包括以下步骤：
1)、选用钛片作为衬底，清洗衬底表面；步骤1)中采用中性洗涤剂超声震荡清洗钛片表面。
2)、利用离子液体溶解于乙醇中得到离子液体-乙醇溶液；
其中，步骤2)中利用旋转涂抹法将离子液体-乙醇溶液涂抹均匀。旋转涂抹法可以简单方便的将离子液体-乙醇溶液均匀的涂抹在钛片表面。
步骤2)中离子溶液为无卤素离子液体。无卤素离子液体作为润滑油在金属界面避免腐蚀，普通润滑油通产含氟，对金属有腐蚀作用。
3)、将步骤2)得到的离子液体-乙醇溶液滴至衬底上，涂抹均匀；
4)、乙醇挥发，离子液体在钛片上成膜，得到自润滑钛片。
其中，离子液体为[P6,6,6,14][BOB]离子液体、[P6,6,6,14][BMB]离子液体、[P6,6,6,14][DCA]离子液体、[P4,4,4,8][BScB]离子液体或[P6,6,6,14][BScB]离子液体。经实验验证，采用上述离子液体可以达到较好的自润滑效果。其中，离子液体为带有四个或六个烷基链的硼基类离子液体。经实验验证，采用上述离子液体可以达到自润滑效果。
本发明的自润滑材料的制备方法简单，可以方便实现自润滑材料的制备，且得到的自润滑材料性能优良。
实施例1
步骤1：制备样品。具体包括如下步骤：
步骤1.1：制备5％离子液体-乙醇溶液，称取20mg乙醇、1mg[P6,6,6,14][BOB]离子液体配比混合后，超声50kHz震荡10min；
步骤1.2：钛片裁剪5×5mm作为衬底，移液枪滴加离子液体-乙醇溶液100μL；
步骤1.3：开机，设置旋转涂抹程序，10s加速至5000r/min，保持1min；
步骤1.4：将样品用吸盘固定，开始旋涂；
步骤1.5：真空干燥箱25摄氏度真空干燥。
步骤2：摩擦测量。具体包括如下步骤：
步骤2.1：使用Si3N4悬臂尖端(DNP-10，标称尖端半径＝20nm，尖端高度＝6μm)在multimode原子力显微镜(AFM，Bruker)上进行摩擦力测量(5μm×5μm)；
步骤2.2：设定弹簧常数为0.35N/min，扫描速率为2Hz，扫描角度90°扫描频率1Hz；
步骤2.3：输入负载信号(以V为单位)转换为负载(以N为单位)，使用不同的悬臂时执行校准过程；
步骤2.4：输出电压信号(正向和反向迹线的光电检测器上的平均侧向偏转信号的半差，以V表示)为平均横向力扭转变换为真实的摩擦力(N)；
步骤2.5：在多个样品位置进行五次测量获得平均值。
步骤3：测量钛表面ILs膜厚。具体包括如下步骤：
步骤3.1：采用硼硅酸盐玻璃球(半径＝10μm)浸入离子液体获得强的毛细管力；
步骤3.2：通过AFM力曲线跳入位置与接触线上的零力点之间的差值(水平双头测量)即液膜的厚度。
步骤4：测量接触角。具体包括如下步骤：
步骤4.1：室温和环境湿度下，使用Fibro1121/1122DAT-Dynamic接触角测试仪来测量接触角，仪器开机，微量注射器取离子液体，载物台上方夹具夹取钛片作为衬底使用Si3N4悬臂尖端(DNP-10，标称尖端半径＝20nm，尖端高度＝6μm)在多模原子力显微镜；
步骤4.2：将进样器或微量注射器固定在载物台上方调焦，放大两倍调节摄像头到载物台的距离使得图象最清晰；
步骤4.3：用微量注射器压出0.6μL～1.0μL的样品，从活动图象中看到进样器下端出现一个清晰的小液滴；
步骤4.4：旋转载物台底座的旋钮使得载物台慢慢上升触碰悬挂在进样器下端的液滴后下降使液滴留在钛平面上；
步骤4.5：接样后20s内冻结图像，点击界面右上角的冻结图象按钮将画面固定再点击File菜单中的Saveas将图象保存在文件夹中；
步骤4.6：点击量角法按钮进入量角法主界面按开始键打开之前保存的图象。这时图象上出现一个由两直线交叉45度组成的测量尺利用键盘上的Z、X、Q、A键即左、右、上、下键调节测量尺的位置使测量尺与液滴边缘相切得到接触角的数值。
步骤5：分子模拟，具体包括如下步骤：
步骤5.1：Si(111)表面(4.61×4.61nm2)来模拟实验中使用的衬底Ti，使用半径约为0.5nm单壁碳纳米管(SWCNT)进行了非平衡分子动力学(NEMD)模拟，其滑动速度为1.0m/s；
步骤5.2：150个离子对被放置在表面，生成厚度约为7.2nm的薄膜，封闭的SWCNT和Si原子中的C原子被模拟为中性电荷Lennard-Jones(LJ)粒子；
步骤5.3：非键合相互作用包括vanderWaals(vdW)和不同原子之间的静电相互作用分别由LJ12-6和Columbic势能描述，[P4,4,4,8][BScB]离子对中原子的L-J参数和部分原子电荷来源于我们以前的工作，C原子之间的相互作用由适应性分子间势能(AIREBO)描述；
步骤5.:4：通过Lorentz-Berthelot混合规则得到不同原子类型的混合L-J参数。
实施例2
与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤1.1中的离子液体[P6,6,6,14][BOB]，改为[P6,6,6,14][BMB]，其他条件保持一致。
实施例3
与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤1.1的离子液体[P6,6,6,14][BOB]改为[P6,6,6,14][DCA]，其他条件保持一致。
实施例4
与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤1.1的离子液体[P6,6,6,14][BOB]改为[P4,4,4,8][BScB]，其他条件保持一致。
实施例5
与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤1.1的离子液体[P6,6,6,14][BOB]改为[P6,6,6,14][BScB]，其他条件保持一致。
5个实施例均得到如图1所示的自润滑趋势曲线。
实施例6
与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤1.1的离子液体[P6,6,6,14][BOB]改为[P6,6,6,14][BScB]75％+基础油25％，其他条件保持一致。
实施例6不能实现自润滑，说明自润滑是特属于离子液体的功能。
表1离子液体与基础油在钛片界面粘度、密度及接触角结果对比
Claims (10)
1.一种自润滑材料，其特征在于，包括钛片衬底，所述钛片衬底的表面具有离子液体膜。
2.根据权利要求1所述的自润滑材料，其特征在于：所述离子液体膜为[P6,6,6,14][BOB]离子液体膜、[P6,6,6,14][BMB]离子液体膜、[P6,6,6,14][DCA]离子液体膜、[P4,4,4,8][BScB]离子液体膜或[P6,6,6,14][BScB]离子液体膜。
3.根据权利要求1所述的自润滑材料，其特征在于：所述离子液体为无卤素离子液体。
4.根据权利要求1所述的自润滑材料，其特征在于：所述离子液体为带有四个或六个烷基链的硼基类离子液体
5.一种自润滑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、选用钛片作为衬底，清洗衬底表面；
2)、利用离子液体溶解于乙醇中得到离子液体-乙醇溶液；
3)、将步骤2)得到的离子液体-乙醇溶液滴至衬底上，涂抹均匀；
4)、乙醇挥发，离子液体在钛片上成膜，得到自润滑钛片。
6.根据权利要求5所述的自润滑材料的制备方法，其特征在于：所述离子液体为[P6,6,6,14][BOB]离子液体、[P6,6,6,14][BMB]离子液体、[P6,6,6,14][DCA]离子液体、[P4,4,4,8][BScB]离子液体活[P6,6,6,14][BScB]离子液体。
7.根据权利要求5所述的自润滑材料的制备方法，其特征在于：所述离子液体为带有四个或六个烷基链的硼基类离子液体
8.根据权利要求5所述的自润滑材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中利用旋转涂抹法将离子液体-乙醇溶液涂抹均匀。
9.根据权利要求5所述的自润滑材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中离子溶液为无卤素离子液体。
10.根据权利要求5所述的自润滑材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中采用中性洗涤剂超声震荡清洗钛片表面。
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