CN111853516B - 一种在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，先通过常规的激光织构方法在基材表面构筑微米尺度的凹凸体；再将离子型二维纳米材料复配物经高速搅拌、超声分散于无水乙醇中，得二维润滑剂复配分散液；并其喷涂到上述经预处理的基材表面，空气中表干，即获得二维复合超润滑表面。本发明对工程基材表面设计制备微米尺度凹凸体，实现将宏观接触面分解为微纳接触点的作用；然后通过二维材料摩擦自定序、共价/离子以及离子/离子异质复配等特殊设计来控制每个接触点位置界面间定序状态、化学相互作用、非公度性，从而满足“超润滑”理论原理的三个基本条件，在工程粗糙的钢‑钢宏观接触摩擦副上，实现了长效稳定的超润滑性能。

Description

一种在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法
技术领域
本发明涉及一种复合超润滑表面的制备方法，尤其涉及一种在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，属于润滑领域和摩擦领域。
背景技术
摩擦磨损是运动机械普遍存在的现象，据统计摩擦消耗全球1/3的一次能源，磨损导致机械部件的4/5失效，摩擦磨损损失占工业化国家GDP的5%~7%。同时在高技术领域，摩擦磨损问题是造成设备故障，制约其可靠性的主要原因。NASA研究报告表明：相当比例的空间机械部件的失效都与摩擦磨损问题有关。润滑是解决摩擦能耗和材料磨损问题最主要的技术途径。
“超润滑”是近些年来提出的一种能够极大突破现有材料润滑性能极限的新概念技术，理论上为零，工程实践上摩擦系数可低至0.01以下即10-3量级，较常规固体润滑材料0.1左右的摩擦系数低1-2个数量级。因此，超润滑技术的发展不仅对于节能降耗、促进国民经济发展具有深远的意义，而且还将对高技术装备设计和运行可靠性产生革命性的进步。
1991年日本学者Hirano 和 Shinjo提出了“超润滑”的基本概念和原理：当两个表面相互公度时（即其晶格常数之比为有理数且取向一致），原子需要同时克服滑移势垒才能够滑动，这时系统滑移需要克服的阻力是每一个原子滑移阻力的叠加，系统滑移阻力巨大；无限大的非公度晶格表面系统静摩擦力趋向于零，且滑动时没有能量耗散，这意味着动摩擦力也为零。然而，根据此理论原理，目前在实验上仅能够在微米尺度理想的单晶接触状态下获得超润滑的状态。而在宏观摩擦过程中，施加载荷大（数N量级），接触滑动发生在凸凹不平、大面积的宏观面上，摩擦性能影响因素众多，不仅会受到微观结构（包括微观的晶格缺陷、晶格变形、气体吸附、官能团等）的影响，还会受到宏观的多晶取向、棱边键、粗糙度以及宏观力破坏作用等诸多结构因素的影响，很难在大面积接触的宏观工程基材上形成理想的非公度、无形变、无污染的超润滑状态。石墨烯等二维材料在宏观摩擦过程中表现出一些特殊的现象和效应有益于超润滑的实现。美国Argonne国家实验室研究人员于2015年在Science期刊上报道了石墨烯和纳米金刚石颗粒复合与类金刚石碳膜配副可以在宏观接触条件下获得超润滑性能（摩擦系数低至0.004）。其中石墨烯卷绕在金刚石颗粒上，将面接触转变为点接触，既有利于保持非公度接触，又减少了结构形变和界面化学作用。不足之处是形成石墨烯卷绕金刚石复合结构依赖于一定的试验条件，材料体系繁杂，获得的超润滑态寿命较短，很难实现工程化制备。因此利用二维材料结构特性探索一条在工程基材实现宏观超滑的方法将是一个突破口，有望发展出可工程化的超润滑新概念技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法。
一、二维复合超润滑表面的制备
本发明在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，包括以下步骤：
（1）基材表面的预处理：通过砂纸打磨、喷砂或常规的激光织构方法，在基材表面构筑微米尺度的凹凸体。其中基材可选自钢、钛合金、铝等金属，也可选自氧化铝、氧化硅、氮化硅等陶瓷。预处理后基材表面粗糙度控制范围为0.1~5微米；基材表面凸点接触面积占比为1/50以下。
（2）二维润滑剂复配分散液的制备：将离子型二维纳米材料复配物经高速搅拌、超声分散于无水乙醇中，得二维润滑剂复配分散液。其中离子型二维纳米材料复配物为两种不同类型的离子型二维纳米材料的复配物；其中离子型二维纳米材料选自MoS2、WS2、TaS2、WSe2、TaSe2、NbS2、NbSe2、α-ZrP中的任意两种，且两种离子型二维纳米材料以1:0.1~1:10的质量比复配。离子型二维纳米材料复配物为离子型二维纳米材料与共价型二维纳米材料的复配物，且离子型二维纳米材料和共价型二维纳米材料以1:0.2~1:5的质量比复配。其中离子型二维纳米材料为MoS2、WS2、TaS2、WSe2、TaSe2、NbS2、NbSe2、α-ZrP中的任意一种；共价型二维纳米材料为石墨烯、h-BN、云母、黑磷中的任意一种。无论是离子型二维纳米材料，还是共价型二维纳米材料，二维纳米材料的层数小于50层。
为了增强分散液与基材的结合力和承载能力，在喷涂分散液中加入树脂胶。如聚酰胺酰亚胺树脂、环氧树脂。树脂胶的加入量为离子型二维纳米材料复配物质量的0.5~5倍。
所述高速搅拌速度为3000~6000 rpm，搅拌时间为10~60 min；超声分散的超声功率500~1500 W，超声时间为0.5~3 h。
（3）基材表面润滑涂层的制备：将二维润滑剂复配分散液在压缩空气（无油）或压缩氮气下喷涂到上述经预处理的基材表面，空气中表干，即在工程基材上获得二维复合超润滑表面。基材表面喷涂的涂层厚度为1~30微米。
二、二维复合超润滑表面的结构表征
图1为基材表面经激光织构的典型形貌，可以看出，经激光织构处理后基材表面具有较明显的粗糙度，且有均布有微米尺度的凹凸体。
图2为本发明制备的基材表面润滑涂层的高分辨透射电镜图。通过涂层异质滑移界面的高分辨透射电镜分析，发现滑移过程中形成了离子/共价层-层异质滑移复合界面结构，同时观察到界面晶格匹配的摩尔条纹，说明异质接触界面处存在非常好的非公度接触状态。这样的特殊结构一方面通过离子/共价构型设计，减少了相邻层间的化学相互作用；另一方面改善了层间晶格公度匹配导致的原子互锁，减少了层间滑移的阻力，使摩擦系数大幅降低。
三、二维复合超润滑表面的润滑性能
在球-盘摩擦试验机上进行评测：以本发明方法制备的平面样品为下试样，以商品化钢球（Ф6 mm，AISI52100， Ra ≈ 20nm）为上试样，往复线性运动，往复行程5mm，运动频率6.3 Hz，最大赫兹接触应力0.5MPa。
图3为本发明制备的表面超润滑性能测试结果。图3的结果显示，在大气环境下测试摩擦系数稳定在0.01；在氮气环境下测试摩擦系数稳定在0.007，而且该超滑状态可以维持2×105个循环以上。
在相同测试条件下，对比了大家公认具有超滑特性的含氢碳膜材料，其摩擦系数在0.015左右，验证了本发明所获得的极低摩擦系数的准确性。
综上所述，本发明提出“微/纳尺度非公度接触超润滑态”组合扩大获得“宏观尺度超润滑态”的新原理，一方面对工程基材表面设计制备微纳凹凸体，实现将宏观接触面分解为微纳接触点的作用；另一方面通过二维材料摩擦自定序、共价/离子以及离子/离子异质复配等特殊设计来控制每个接触点位置界面间定序状态、化学相互作用、非公度性，从而满足“超润滑”理论原理的三个基本条件依赖于基体上固定的凸起点即可实现，材料体系简单，获得的宏观超润滑性能更加稳定持久，实现了长效稳定的超润滑性能，适用于工程化零件和运行条件下推广应用。
附图说明
图1为基材表面经激光织构处理后的典型形貌。
图2为本发明制备的二维复合超润滑表面的高分辨透射电镜图。
图3为发明制备的二维复合超润滑表面的超润滑性能测试结果。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法作进一步说明。
实施例1
（1）利用常规的喷砂方法在9Cr18、TC4、铝以及氧化硅、氧化铝试块表面进行喷砂织构处理，处理后基材表面粗糙度控制范围为2微米，凸点接触面积与处理总面积占比为1/70；
（2） 按照质量比1:5称取离子型和共价型化合物（包括MoS2和石墨烯、WS2和石墨烯、TaS2和石墨烯、WSe2和石墨烯、TaSe2和石墨烯、NbS2和石墨烯、NbSe2和石墨烯、α-ZrP和石墨烯；MoS2和h-BN、WSe2和h-BN、MoS2和云母、WSe2和云母、MoS2和黑磷、WSe2和云母）。石墨烯纳米片层的层数为10层左右；MoS2纳米片层的层数为7-8层；TaS2纳米片层的层数为6层左右；WSe2纳米片层的层数为10层左右；TaSe2纳米片层的层数为15层左右；NbS2纳米片层的层数为20层左右；NbSe2纳米片层的层数为10层左右；α-ZrP纳米片层的层数为40层左右；h-BN纳米片层的层数为40层左右；云母纳米片层的层数为40层左右，黑磷纳米片层的层数为10层左右。按照固液质量比例为1:500加入到无水乙醇，采用高速搅拌分散，搅拌速度为4000rpm，搅拌时间为50 min；然后采用超声分散，超声功率500 W，超声时间为3 h，获得二维润滑剂复配分散液；
（3）采用常规的涂料涂装方法，将二维润滑剂复配分散液在压缩空气（无油）或压缩氮气下喷涂在预处理基材表面，喷涂膜层厚度为6微米，在室温下放置1~3 h表干；
（4）摩擦性能测试：在球-盘摩擦试验机上进行评测摩擦系数，以该实施例制备的平面样品为下试样，以商品化钢球（Ф6 mm，AISI52100，Ra ≈ 20nm）为上试样，往复线性运动，往复行程5mm，运动频率6.3 Hz，最大赫兹接触应力0.5MPa，在大气环境和氮气环境下测试60min，取平均摩擦系数。测试结果如下：
Figure 773327DEST_PATH_IMAGE001
实施例2
（1）利用常规激光织构方法在9Cr18、TC4、铝以及氧化硅、氮化硅试块表面进行织构处理，处理后基材表面粗糙度控制范围为4微米，凸点接触面积与处理总面积占比为1/100；
（2） 按照质量比5/1称取离子型和共价型化合物复配物（包括MoS2和石墨烯、WS2和石墨烯、TaS2和石墨烯、WSe2和石墨烯、TaSe2和石墨烯、NbS2和石墨烯、NbSe2和石墨烯、α-ZrP和石墨烯；MoS2和h-BN、WSe2和h-BN、MoS2和云母、WSe2和云母、MoS2和黑磷、WSe2和云母）。石墨烯纳米片层的层数为3层左右；MoS2纳米片层的层数为2层；TaS2纳米片层的层数为45层左右；WSe2纳米片层的层数为40层左右；TaSe2纳米片层的层数为8层左右；NbS2纳米片层的层数为40层左右；NbSe2纳米片层的层数为10层左右；α-ZrP纳米片层的层数为25层左右；h-BN纳米片层的层数为10层左右；云母纳米片层的层数为20层左右，黑磷纳米片层的层数为20层左右。按照固液质量比例为1/100加入到无水乙醇，采用高速搅拌分散，搅拌速度为6000rpm，搅拌时间为10 min；然后采用超声分散，超声功率1500 W，超声时间为0.5 h，获得二维润滑剂复配分散液；
（3）采用常规的涂料涂装方法，将二维润滑剂复配分散液在压缩空气（无油）或压缩氮气下喷涂在预处理基材表面，喷涂膜层厚度为25微米，在室温下放置1~3 h表干；
（4）摩擦性能测试：在球-盘摩擦试验机上进行评测摩擦系数，以该实施例制备的平面样品为下试样，以商品化钢球（Ф6 mm，AISI52100，Ra ≈ 20nm）为上试样，往复线性运动，往复行程5mm，运动频率6.3 Hz，最大赫兹接触应力0.5MPa，在大气环境和氮气环境下测试60min，取平均摩擦系数。测试结果如下：
Figure 383079DEST_PATH_IMAGE002
实施例3
（1）利用600目的砂纸在9Cr18、TC4、铝以及氧化硅、氧化铝试块表面进行研磨织构处理，处理后基材表面粗糙度控制范围为0.2微米，凸点接触面积与处理总面积占比为1/60；
（2）按照质量比1/10称取离子型和离子型化合物复配纳米片（包括MoS2和WS2、MoS2和TaS2、MoS2和WSe2、MoS2和TaSe2、MoS2和NbS2、MoS2和α-ZrP TaSe2和α-ZrP、TaSe2和WSe2、TaSe2和WS2）。MoS2纳米片层的层数为7-8层；TaS2纳米片层的层数为6层左右；WSe2纳米片层的层数为10层左右；TaSe2纳米片层的层数为15层左右；NbS2纳米片层的层数为20层左右；NbSe2纳米片层的层数为10层左右；α-ZrP纳米片层的层数为20层左右。按照固液质量比例为1/200加入无水乙醇，采用高速搅拌分散，搅拌速度为3000 rpm，搅拌时间为40 min；然后采用超声分散，超声功率1000 W，超声时间为2 h，获得二维润滑剂复配分散液；
（3）采用常规喷涂工艺，将二维润滑剂复配分散液在压缩空气（无油）或压缩氮气下喷涂在预处理基材表面，涂层厚度控制在2微米，在室温下放置1~3 h表干；
（4）摩擦性能测试：在球-盘摩擦试验机上进行评测摩擦系数，以该实施例制备的平面样品为下试样，以商品化钢球（Ф6 mm，AISI52100，Ra ≈ 20nm）为上试样，往复线性运动，往复行程5mm，运动频率6.3 Hz，最大赫兹接触应力0.5MPa，在大气环境和氮气环境下测试60min，取平均摩擦系数。测试结果如下：
Figure 834920DEST_PATH_IMAGE003
实施例4
（1）利用常规的喷砂方法在9Cr18、TC4、铝以及氧化硅、氮化硅试块表面进行喷砂织构处理，处理后基材表面粗糙度控制范围为3微米，凸点接触面积与处理总面积占比为1/80；
（2）按照质量比10/1称取离子型和离子型化合物复配纳米片（包括MoS2和WS2、MoS2和TaS2、MoS2和WSe2、MoS2和TaSe2、MoS2和NbS2、MoS2和α-ZrP TaSe2和α-ZrP、TaSe2和WSe2、TaSe2和WS2）。MoS2纳米片层的层数为3层左右；TaS2纳米片层的层数为6层左右；WSe2纳米片层的层数为40层左右；TaSe2纳米片层的层数为15层左右；NbS2纳米片层的层数为45层左右；NbSe2纳米片层的层数为10层左右；α-ZrP纳米片层的层数为40层左右。按照固液质量比例为1/300加入到无水乙醇，另外又加入了分散液总质量10%的商品化聚酰胺酰亚胺树脂。采用高速搅拌分散，搅拌速度为4000 rpm，搅拌时间为30 min；然后采用超声分散，超声功率1000 W，超声时间为3 h，获得二维润滑剂复配分散液；
（3）采用常规喷涂工艺，将二维润滑剂复配分散液在压缩空气（无油）或压缩氮气下喷涂在预处理基材表面，涂层厚度控制在10微米，在室温下放置1~3 h表干；
（4）摩擦性能测试：在球-盘摩擦试验机上进行评测摩擦系数，以实例4制备的平面样品为下试样，以商品化钢球（Ф6 mm, AISI52100, Ra ≈ 20nm）为上试样，往复线性运动，往复行程5mm，运动频率6.3 Hz，最大赫兹接触应力1.37 GPa，在大气环境和氮气环境下测试60min，取平均摩擦系数。测试结果如下：
Figure 26867DEST_PATH_IMAGE004

Claims (10)

1.在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，包括以下步骤：
（1）基材表面的预处理：通过砂纸打磨、喷砂或常规的激光织构方法，在基材表面构筑微米尺度的凹凸体；
（2）二维润滑剂复配分散液的制备：将离子型二维纳米材料复配物经高速搅拌、超声分散于无水乙醇中，得二维润滑剂复配分散液；
（3）基材表面润滑涂层的制备：将二维润滑剂复配分散液在压缩空气或压缩氮气下喷涂 到上述经预处理的基材表面，空气中表干，即在工程基材上获得二维复合超润滑表面；
步骤 （1）中预处理后基材表面粗糙度控制范围为 0.1-5 微米；基材表面凸点接触面积占比为 1/50 以下。
2.如权利要求 1 所述在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，其特征在于：步骤 （1）中，基材为钢、钛合金或铝。
3.如权利要求 1 所述在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，其特征在于：步骤 （1）中，基材为氧化铝、氧化硅或氮化硅。
4.如权利要求 1 所述在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，其特征在于：步骤 （2）中，离子型二维纳米材料复配物为两种不同类型的离子型二维纳米材料的复配物，离子型二维纳米材料选自 MoS2、WS2、TaS2、WSe2、TaSe2、NbS2、NbSe2、α-ZrP，且两种离子型二维纳米材料以 1:0.1-1:10 的质量比复配。
5.如权利要求 1 所述在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，其特征在于：步骤 （2）中，离子型二维纳米材料复配物为离子型二维纳米材料与共价型二维纳米材料的复配物，离子型二维纳米材料为 MoS2、WS2、TaS2、WSe2、TaSe2、NbS2、NbSe2、α-ZrP 中的任意一种， 共价型二维纳米材料为石墨烯、h-BN、云母、黑磷中的任意一种，且离子型二维纳米材料和共价型二维纳米材料以1:0.2-1:5 的质量比复配。
6.如权利要求 1-4任一项所述在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，其特征在于：步骤 （2）中，离子型二维纳米材料的层数小于 50 层。
7.如权利要求 5 所述在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，其特征在于：步骤 （2）中，离子型二维纳米材料、共价型二维纳米材料的层数小于 50 层。
8.如权利要求 1 所述在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，其特征在于：步骤 （2）的二维润滑剂复配分散液中加入离子型二维纳米材料复配物质量的 0.5-5 倍的树脂胶。
9.如权利要求 1 所述在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，其特征在于：所述 高速搅拌速度为 3000-6000rpm，搅拌时间为 10-60 min；超声分散的超声功率 500-1500 W，超声时间为 0.5-3 h。
10.如权利要求 1 所述在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，其特征在于：基材表面喷涂的涂层厚度为 1-30 微米。
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