CN110355078A - 一种减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，对试样的内表面进行微织构处理，抛光清洗烘干备用；将有机固体与无机固体自润滑材料混合成混合固体自润滑材料，将硅烷偶联剂经无水乙醇稀释后，添加至上述混合固体自润滑材料中并搅拌均匀制成固体自润滑剂备用；将固体自润滑剂封装于处理后的试样的表面微织构内，放在室温下静置后，经烘烤固化抛光处理。本发明利用硅烷偶联剂增加有机固体自润滑材料与无机固体自润滑材料之间，表面微织构内壁与固体自润滑剂之间的固化粘结作用，达到表面微织构内封装固定自润滑剂的缓慢释放效果，解决了现有固定自润滑剂在表面微织构内快速释放的问题。

Description

一种减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法

技术领域

本发明涉及表面低摩擦设计领域，具体涉及一种减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法。

背景技术

目前，为减少表面摩擦，研究人员针对摩擦副已提出并实施了各种手段，如在摩擦表面形成固体润滑薄膜，表面涂覆自润滑材料，或通过表面微织构来减少摩擦副之间实际接触面积，储存润滑剂以及磨损产物来减少摩擦。另外，表面微织构还可以作为固体润滑剂或自修复材料的储存器，且表面微坑内封装自润滑剂所产生的减摩效果优于单一表面处理方法。但表面微坑封装自润滑剂在使用过程中出现快速释放现象，即封装自润滑剂的作用时效限制了此类减摩技术在摩擦副中的应用。

到目前为止，仅是通过热压的方法来增加封装自润滑剂的紧固程度，但仍没有较好的方法解决其快速释放问题。因此，有必要提供一种方法以解决上述问题。

发明内容

根据上述提出现有方法难以实现表面微织构封装固体自润滑剂的缓慢释放的问题，而提供一种减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法。本发明主要利用硅烷偶联剂对一定比例混合的有机固体自润滑材料和无机固体自润滑材料的混合制成固体自润滑剂进行修饰，增加有机固体自润滑材料与无机固体自润滑材料之间、表面微织构内壁与混合固体自润滑剂之间的固化粘结作用，从而实现表面微织构内封装固体自润滑剂的缓慢释放效果，增加表面微织构内固体自润滑剂的作用时间，提高摩擦副的减摩耐磨性能。

本发明采用的技术手段如下：

一种减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对试样的内表面进行微织构处理，加工出具有预设形状的表面微织构形貌，使用抛光砂纸对该微织构边缘进行抛光处理后，使用无水酒精超声清洗一定时间并烘干备用；上述的试样可以为气缸套试样、轴套试样、轴瓦试样或者机械轴封端面试样等。

步骤2：将有机固体自润滑材料与无机固体自润滑材料按照一定质量比进行混合形成混合固体自润滑材料，将硅烷偶联剂经无水乙醇稀释的形成稀释溶液后，按照一定质量比例添加至上述混合固体自润滑材料中并搅拌均匀制成固体自润滑剂备用；

步骤3：将步骤2制备的固体自润滑剂封装于经过步骤1处理的试样的表面微织构内，放在室温下静置后，经烘烤固化；

步骤4：对封装后的试样内表面做抛光处理。

进一步地，所述微织构所适用的表面为可进行加工处理的表面，包括但不限于平面、圆面、锥面或柱面等。

进一步地，所述表面微织构形貌具有但不限于圆形、矩形、方形、三角形或其他具有一定储存功能的表面形貌。

进一步地，所述表面微织构加工方法包括但不限于激光刻蚀加工、电解加工或铣床加工。

进一步地，所述表面微织结构为圆形微织构时，其直径范围在100μm～1000μm之间选取，其深度范围在50μm～1000μm之间选取。

进一步地，所述有机固体自润滑材料包括但不限于聚四氟乙烯微纳颗粒、聚酰亚胺微纳颗粒、聚甲醛微纳颗粒等；所述无机固体自润滑材料包括但不限于二硫化钨微纳颗粒、二硫化钼微纳颗粒、石墨微纳颗粒、氮化硼微纳颗粒等。

进一步地，所述有机固体自润滑材料与所述无机固体自润滑材料的混合质量比为(7-3):(3-7)。

进一步地，所述硅烷偶联剂包括但不限于乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷。

进一步地，所述稀释溶液中无水乙醇的添加量为所述硅烷偶联剂质量的5％-10％。

进一步地，在混合搅拌过程中，所述稀释溶液的添加量为固体自润滑材料质量的1％-5％。

较现有方法相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过使用硅烷偶联剂实现了有机固体自润滑材料和无机固体自润滑材料间，以及混合固体自润滑材料与表面微织构内壁间的分子结合状态，使其结合紧密，解决了微织构封装固体自润滑剂的快速释放问题，延长表面微织构内固体自润滑剂的作用时间，提高摩擦副的减摩耐磨性能。

2、为改善硅烷偶联剂的粘结作用，添加一定质量含量的无水乙醇(酒精)，促进硅烷偶联剂的水解，达到更优的粘结效果。

综上，本发明通过混合搅拌、封装及加固等一系列方法将经无水乙醇稀释后的硅烷偶联剂稀释溶液用于修饰有机固体自润滑材料和无机固体自润滑材料的混合物，将其封装在试样内表面刻蚀的微织构内，利用硅烷偶联剂增加有机固体自润滑材料与无机固体自润滑材料之间、表面微织构内壁与混合固体润滑剂之间的固化粘结作用，达到表面微织构内封装固体自润滑剂的缓慢释放效果。应用本发明的技术方案提高了微织构内封装固体自润滑剂的作用时效，解决了微织构内封装固体自润滑剂的快速释放问题，增加表面微织构内固体自润滑剂的作用时间，提高摩擦副的减摩耐磨性能。

因此，基于上述理由本发明可在表面低摩擦设计，摩擦副表面减摩抗磨等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放方法流程图。

图2为本发明采用激光刻蚀进行表面微织构处理的微坑三维形貌图，其中，(a)为气缸套表面微坑深度的三维形貌图，(b)为气缸套表面微坑填充A、B、C、D四种不同固体自润滑剂的外观形貌图。

图3为不同处理试样的摩擦系数曲线图。

图4为不同处理试样的抗拉缸时间曲线图。

图5为摩擦磨损实验后微坑内自润滑剂的粘结效果对比图。

图6为不同处理方法下的微坑外溢深度图，其中，(a)为实施例3所制备的试样；(b)为实施例4所制备试样；(c)为实施例5所制备的试样。

图7为不同微织构直径对摩擦性能的影响示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1、图2所示，本发明公开了一种减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：对试样的内表面进行微织构处理，加工出具有预设形状的微织构形貌，其中，所述表面微织构加工方法包括但不限于激光刻蚀加工、电解加工或小型铣床加工等加工方式。所述试样可以为气缸套试样、轴套试样、轴瓦试样或者机械轴封端面试样等。所述微织构所适用的表面为可进行加工处理的表面，包括但不限于平面、圆面、锥面或柱面等。所述表面微织构形貌具有但不限于圆形、矩形、方形、三角形或其他具有一定储存功能的表面形貌。

以所述表面微织结构为圆形微织构为例，其直径范围在100μm～1000μm之间选取，其深度范围在50μm～1000μm之间选取。

使用目数在2000目以上的抛光砂纸对该微织构边缘进行抛光处理后，使用无水酒精超声清洗30min-60min并烘干备用；

步骤2：将有机固体自润滑材料与无机固体自润滑材料按照一定质量比进行混合形成混合固体自润滑材料，其中，所述有机固体自润滑材料包括但不限于聚四氟乙烯微纳颗粒、聚酰亚胺微纳颗粒、聚甲醛微纳颗粒等；所述无机固体自润滑材料包括但不限于二硫化钨微纳颗粒、二硫化钼微纳颗粒、石墨微纳颗粒、氮化硼等微纳颗粒。

所述有机固体自润滑材料与所述无机固体自润滑材料的混合质量比为(7-3):(3-7)，常用比例为7:3，5:5，3:7，如聚四氟乙烯微纳颗粒与二硫化钨微纳颗粒的混合质量比为7:3。

将硅烷偶联剂经无水乙醇稀释的形成稀释溶液后，按照一定质量比例添加至上述混合固体自润滑材料中并搅拌均匀制成固体自润滑剂备用；所述稀释溶液中无水乙醇的添加量为所述硅烷偶联剂质量的5％-10％；在混合搅拌过程中，所述稀释溶液的添加量为固体自润滑材料质量的1％-5％。

其中，所述硅烷偶联剂包括但不限于乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷等硅烷偶联剂。

步骤3：将步骤2制备的混合固体自润滑剂封装于经过步骤1处理的试样的表面微织构内，放在室温下静置1h-2h后，放入120℃的烤箱中烘烤时间1h-2h固化；

步骤4：利用抛光布轮对封装后的试样内表面做抛光处理。

实施例1

本例中，步骤1：采用激光刻蚀的方法对柴油机气缸套内表面进行微织构处理，加工出圆形微织构形貌，圆形微织构的直径为1000μm，先使用3000目砂纸对圆形微织构边缘进行毛刺抛光处理，再使用无水酒精超声清洗30min并烘干；步骤2：采用加热和加压的方法将有机固体自润滑材料聚四氟乙烯微纳颗粒封装在气缸套表面微织构内；步骤3：利用抛光布轮对气缸套内表面做抛光处理制备出试样A。

实施例2

本例中，采用与实例1中的步骤1；步骤2：采用加热和加压的方法将无机固体自润滑材料二硫化钨微纳颗粒封装在气缸套表面微织构内；步骤3：利用抛光布轮对气缸套内表面做抛光处理制备出试样B。

实施例3

本例中，采用与实例1中的步骤1；步骤2：采用加热和加压的方法将有机固体自润滑材料聚四氟乙烯微纳颗粒和无机固体自润滑材料二硫化钨微纳颗粒按照质量比7：3混合后，封装在气缸套表面微织构内；步骤3：利用抛光布轮对气缸套内表面做抛光处理，制备出试样C。

实施例4

本例中，采用与实例1中的步骤1；步骤2：将有机固体自润滑材料聚四氟乙烯微纳颗粒与无机固体自润滑材料二硫化钨微纳颗粒按照质量比7:3的比例进行混合，使用乙烯基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂)溶液搅拌混合均匀，使用量为混合固体自润滑材料质量的5％；步骤3：通过涂覆的方法将步骤2制备的固体自润滑剂封装于经过步骤1处理的气缸套表面微织构内，放在室温下静置2h后放入120℃烤箱烘烤2h；步骤4：利用抛光布轮对气缸套内表面做抛光处理，制备出试样D。

实施例5

本例中，采用与实例1中的步骤1，步骤2：在表面微织构内封装时，将有机固体自润滑材料聚四氟乙烯微纳颗粒与无机固体自润滑材料二硫化钨微纳颗粒按照质量比7:3的比例进行混合，将乙烯基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂)用无水乙醇稀释后，形成稀释溶液后按照一定质量比例添加至微纳颗粒粉体中并搅拌混合均匀，无水乙醇的添加量为硅烷偶联剂质量的5％，形成的稀释溶液添加量为固体自润滑剂质量的1％；步骤3：通过涂覆的方法将步骤2制备的固体自润滑剂封装于经过步骤1处理的气缸套表面微织构内，放在室温下静置2h后放入120℃烤箱烘烤2h；步骤4：利用抛光布轮对气缸套内表面做抛光处理，制备出试样E。

实施例6

本例中，采用激光刻蚀的方法对柴油机气缸套内表面进行微织构处理，加工出圆形微织构形貌，圆形微织构的直径为400μm，先使用3000目砂纸对圆形微织构边缘进行毛刺抛光处理，再使用无水酒精超声清洗30min并烘干；步骤2：将有机固体自润滑材料聚四氟乙烯微纳颗粒与无机固体自润滑材料二硫化钨微纳颗粒按照质量比7:3的比例进行混合，使用乙烯基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂)溶液搅拌混合均匀，使用量为固体自润滑材料质量的5％；步骤3：通过涂覆的方法将步骤2制备的固体自润滑剂封装于经过步骤1处理的气缸套表面微织构内，放在室温下静置2h后放入120℃烤箱烘烤2h；步骤4：利用抛光布轮对气缸套内表面做抛光处理，制备出试样F。

实施例7

本例中，对实施例1所制备的试样，进行如下性能测试，测试结果如图3、图4、图5所示。

(1)摩擦系数

使用自制的往复式摩擦磨损试验机对试样A进行常温下摩擦磨损实验，选择与之配套的合金铸铁活塞环为对磨摩擦副，并设定电机转速150rpm、加载载荷6MPa、连续供油量3μl/min，摩擦磨损时间5h，最后得到试样A的连续摩擦系数。

(2)抗拉缸时间

使用自制的往复式摩擦磨损试验机对试样A进行常温下抗拉缸性能实验，选择与之配套的合金铸铁活塞环为对磨摩擦副，并设定电机转速150rpm、加载载荷6MPa、连续供油量3μl/min，在连续供油30min后停止润滑油供应，并开始记录时间，直至摩擦系数出现突变，停止记录时间，最后得到试样A的抗拉缸时间。

实施例8-11

本例中，按照实施例7的方法，对实施例2、实施例3和实施例4所制备的B、C、D试样进行性能测试，结果如图3、图4、图5所示。

如图3所示，在转速150rpm、载荷6MPa、环境温度、油润滑条件下，通过往复摩擦磨损实验机对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例12所制备的试样进行摩擦学性能实验，结果表明封装混合固体自润滑材料的试样减摩效果要好于机械珩磨试样及封装单一固体自润滑材料的试样；并且封装经乙烯基三甲氧基硅烷修饰之后的混合固体润滑剂试样的减摩效果好于未经修饰的试样，减摩效果可提升12％。

如图4所示，在转速150rpm、载荷6MPa、环境温度条件下，通过往复摩擦磨损实验机对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所制备的试样试样进行抗拉缸性能实验。结果表明，封装经乙烯基三甲氧基硅烷修饰之后的混合固体润滑剂试样的抗拉刚时间比单独封装PTFE和WS₂的试样及未经修饰的试样提高约3倍，较好的体现了耐磨性能。

如图5所示，在扫描电镜下观察微坑封装物的外观形貌，其中图5(a)为实施例3所制备的试样；图5(b)为实施例4所制备试样；图5(c)为实施例5所制备的试样。在转速150rpm、载荷6MPa、环境温度条件下，经过连续5h的油润滑摩擦磨损实验后发现，图5(a)中微坑内封装的混合自润滑材料较为松散且与微坑内壁之间有较大的缝隙存在；图5(b)中微坑内封装的固体自润滑剂较为紧实，无松散情况；图5(c)中微坑封装的固体自润滑剂呈现出块状结构。这也间接证明了乙烯基三甲氧基硅烷对封装固体自润滑剂起到一定的粘结作用，并且在无水乙醇作用下起到更优的粘结效果。

实施例12

本例中，按照实施例7的方法，对未经处理的机械珩磨气缸套进行性能测试，以便对比分析气缸套试样经微织构封装自润滑材料处理前后的性能差异，结果如图3所示。

实施例13

本例中，使用自制的往复式摩擦磨损试验机对实施例3、实施例4和实施例5所制备的试样C、试样D、试样E进行表面微织构封装物质的溢出性能测试。选择与之配套的合金铸铁活塞环为对磨摩擦副，并设定电机转速150rpm、加载载荷6MPa、连续供油量3μl/min，摩擦磨损时间5h，实验结束后，利用三维共聚焦显微镜测量气缸套表面微织构的深度，用以计算表面微织构内封装固体自润滑剂的溢出深度，得到不同封装方式的溢出量，结果如图6所示。

实施例14

本例中，按照实施例13的方法，对实施例5和实施例6所制备的试样E、试样F进行表面织构封装固体自润滑剂的溢出性能测试。得到不同微织构参数对封装固体自润滑剂溢出量的影响，结果如图6所示。

利用三维共聚焦显微镜对微坑内固体自润滑剂的释放行为进行观察，测量出织构微坑内封装固体自润滑剂释放的深度，以表征封装固体自润滑剂的释放量。其中图6(a)为实施例3所制备的试样；图6(b)为实施例4所制备试样；图6(c)为实施例5所制备的试样。在转速150rpm、载荷6MPa、环境温度条件下，经过连续5h的油润滑摩擦磨损实验后，其外溢深度从图6(a)的141μm减缓至图6(b)的78μm，释放速率约降低了81％；而添加无水乙醇之后，其外溢深度降至图6(c)的64μm，释放速度进一步降低。并且从图中还可以看出，使用乙烯基三甲氧基硅烷修饰的固定自润滑剂的释放过程较为平缓，微坑中部释放深度较大，边缘处释放深度较小，而未使用修饰剂的固体自润滑剂在微坑中部与边缘处释放深度几乎相等，说明乙烯基三甲氧基硅烷还增强了固体自润滑剂与微坑内壁粘结强度，进而变相证明了乙烯基三甲氧基硅烷对封装固体自润滑剂的缓释作用。

实施例15

本例中，使用自制的往复式摩擦磨损试验机对实施例5和实施例6所制备试样E、试样F进行常温下摩擦磨损实验，选择与之配套的合金铸铁活塞环为对磨摩擦副，并设定电机转速150rpm、加载载荷20MPa、连续供油量3μl/min，摩擦磨损时间5h。结果如图7所示。

在转速150rpm、载荷20MPa、环境温度、油润滑条件下，通过往复摩擦磨损实验机对实施例5和实施例6所制备的试样进行摩擦学性能实验，结果表明400μm的微织构直径起到更优的减摩效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对试样的内表面进行微织构处理，加工出具有预设形状的表面微织构形貌，使用抛光砂纸对该微织构边缘进行抛光处理后，使用无水酒精超声清洗一定时间并烘干备用；

步骤2：将有机固体自润滑材料与无机固体自润滑材料按照一定质量比进行混合形成混合固体自润滑材料，将硅烷偶联剂经无水乙醇稀释形成稀释溶液后，按照一定质量比例添加至上述混合固体自润滑材料中并搅拌均匀制成固体自润滑剂备用；

步骤3：将步骤2制备的固体自润滑剂封装于经过步骤1处理的试样的表面微织构内，放在室温下静置后，经烘烤固化；

步骤4：对封装后的试样内表面做抛光处理。

2.根据权利要求1所述的减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，所述微织构所适用的表面为可进行加工处理的表面，包括但不限于平面、圆面、锥面或柱面。

3.根据权利要求1所述的减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，所述表面微织构形貌具有但不限于圆形、矩形、方形、三角形或其他具有一定储存功能的表面形貌。

4.根据权利要求1所述的减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，所述表面微织构加工方法包括但不限于激光刻蚀加工、电解加工或铣床加工。

5.根据权利要求3所述的减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，所述表面微织结构为圆形微织构时，其直径范围在100μm～1000μm之间选取，其深度范围在50μm～1000μm之间选取。

6.根据权利要求1所述的减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，所述有机固体自润滑材料包括但不限于聚四氟乙烯微纳颗粒、聚酰亚胺微纳颗粒或聚甲醛微纳颗粒；所述无机固体自润滑材料包括但不限于二硫化钨微纳颗粒、二硫化钼微纳颗粒、石墨微纳颗粒或氮化硼微纳颗粒。

7.根据权利要求6所述的减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，所述有机固体自润滑材料与所述无机固体自润滑材料的混合质量比为(7-3):(3-7)。

8.根据权利要求1所述的减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂包括但不限于乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷。

9.根据权利要求1所述的减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，所述稀释溶液中无水乙醇的添加量为所述硅烷偶联剂质量的5％-10％。

10.根据权利要求9所述的减缓表面微织构内封装固体自润滑剂释放的方法，其特征在于，在混合搅拌过程中，所述稀释溶液的添加量为固体自润滑材料质量的1％-5％。