CN114033959B - 一种轴承类装置稳健固体超润滑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴承类装置稳健固体超润滑方法，该方法包括以下步骤：⑴在轴承类装置保持架表面上制备碳纳米结构薄膜，使得该薄膜氢含量在15~30at.%之间，薄膜表面粗糙度≤10nm，薄膜纳米硬度在18GPa以上且弹性回复高于85%；⑵制备二维纳米材料粉体，并使该粉体片径在20~500nm之间，片内层数少于20，片层表面无明显褶皱且光滑；⑶在行星式球磨机中，将所述二维纳米材料粉体与滚动体混合，从而使滚动体表面上得到二维材料涂层；⑷将所述二维材料涂层与所述碳纳米结构薄膜置于轴承类装置中，组成滑动摩擦配伍对；在1~1000N载荷、0.05~30cm/s速度下实现固体超润滑。本发明简单、绿色、高效，可实现长寿命（1×106）和摩擦系数低至0.003的固体超润滑。

Description

一种轴承类装置稳健固体超润滑方法
技术领域
本发明涉及材料技术和摩擦学领域，尤其涉及一种轴承类装置稳健固体超润滑方法。
背景技术
随着机械系统的高精密化、高集成化及高可靠性发展，机械系统运动部件的表界面效应越来越突出，对摩擦磨损的要求也越来越苛刻。同时据统计，摩擦造成全世界1/3的一次性能源消耗，60%的零部件损坏是由磨损引起的。由两者导致的直接经济损失占全国GDP的5%~7%左右。按照5%计算，2019年我国仅因摩擦、磨损导致的损失就高达4.95万亿元。因此，进一步减小摩擦、降低磨损、延长运动部件的工作寿命成为润滑技术的核心问题之一。
轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。我国虽已是世界轴承生产大国，但还不是世界轴承生产强国，我国轴承行业的产业结构、研发能力、技术水平、产品质量、效率效益都与国际先进水平存在较大差距。
国外大公司已经系统掌握了合成润滑材料对轴承、齿轮等性能的影响因素，并不断探索增效延寿技术方法。我国在该方面起步较晚，航空发动机主轴轴承寿命只有国外的1/3、传动系统等轴承也只有国外的1/2，其中制约因素之一就是真空重载环境下的润滑材料和润滑方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单有效的轴承类装置稳健固体超润滑方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种轴承类装置稳健固体超润滑方法，包括以下步骤：
⑴在轴承类装置保持架表面上制备碳纳米结构薄膜，使得该薄膜氢含量在15~30at.%之间，薄膜表面粗糙度≤10nm，薄膜纳米硬度在18GPa以上且弹性回复高于85%；
⑵制备二维纳米材料粉体，并使该粉体片径在20~500nm之间，片内层数少于20，片层表面无明显褶皱且光滑；
⑶在行星式球磨机中，将所述二维纳米材料粉体与滚动体按照重量比1：50~200混合，并保持粉体与滚动体的总体积小于球磨罐容积15%，转速控制在50~300rpm之间，球磨时间为1~10h，从而使滚动体表面上得到二维材料涂层；
⑷将所述二维材料涂层与所述碳纳米结构薄膜置于轴承类装置中，组成滑动摩擦配伍对；在1~1000N载荷、0.05~30cm/s速度下实现固体超润滑。
所述步骤⑴轴承类装置保持架的材质是指包括丁晴橡胶或聚酰亚胺的聚合物。
所述步骤⑴中碳纳米结构薄膜是指类富勒烯碳薄膜、类石墨碳薄膜、碳洋葱薄膜中的一种。
所述步骤⑵中二维纳米材料粉体是指石墨烯及包括二硫化钼或二硒化钼的二维硫属化合物。
所述步骤⑶中滚动体是指表面粗糙度≤10μm的钢球、氧化铝球、氧化锆球、氮化硅球、碳化硅球中的一种。
所述步骤⑶中球磨时还加入聚合物前驱体或固化剂。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过在轴承类装置保持架表面上制备碳纳米结构高弹性薄膜，以及在滚动体表面制备二维同质或异质结构涂层，从而在轴承类装置组成滑动摩擦配伍对，依赖于碳纳米结构薄膜自身高弹性分散高载条件下施加在二维材料涂层上接触应力，维持二维材料结构完整性，实现长寿命（1×106）和摩擦系数低至0.003的固体超润滑。
2、本发明简单、绿色、高效，可实现高端装备中轴承类装置或部件的减摩抗磨。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1二维异质材料涂层拉曼图谱（a）及二维异质材料涂层/类富勒烯碳薄膜（FL-C:H）（b）、二维异质材料涂层/无定形碳薄膜（a-C:H）组成滑动摩擦配伍对的拉曼图谱（c）。
图2为本发明实施例1二维异质材料涂层/FL-C:H摩擦配伍对在100N载荷、10cm/s速度、真空环境下的摩擦系数图。
图3为本发明实施例2二维同质材料涂层/碳洋葱薄膜摩擦配伍对在15N载荷、5cm/s速度、真空环境下的摩擦系数图。
具体实施方式
一种轴承类装置稳健固体超润滑方法，包括以下步骤：
⑴采用等离子体气相沉积或磁控溅射化学气相沉积技术在轴承类装置保持架表面上制备碳纳米结构薄膜，使得该薄膜氢含量在15~30at.%之间，薄膜表面粗糙度≤10nm，薄膜纳米硬度在18GPa以上且弹性回复高于85%。
其中：轴承类装置保持架的材质是指包括丁晴橡胶或聚酰亚胺的聚合物。
碳纳米结构薄膜具有各种纳米结构，是指类富勒烯碳薄膜、类石墨碳薄膜、碳洋葱薄膜等高弹性薄膜中的一种。
⑵制备二维纳米材料粉体，并使该粉体片径在20~500nm之间，片内层数少于20，片层表面无明显褶皱且光滑。
二维纳米材料粉体是指石墨烯及包括二硫化钼或二硒化钼的二维硫属化合物。
⑶在行星式球磨机中，将二维纳米材料粉体与滚动体按照重量比（g/g）1：50~200混合，并保持粉体与滚动体的总体积小于球磨罐容积15%，转速控制在50~300rpm之间，球磨时间为1~10h，从而使滚动体表面上得到二维材料涂层。
其中：滚动体是指表面粗糙度≤10μm的钢球、氧化铝球、氧化锆球、氮化硅球、碳化硅球中的一种。球径无限制。
球磨时还加入聚合物前驱体或固化剂，以增强二维材料在滚动体表面粘附强度。
聚合物前驱体可以是聚酰氨酸等；固化剂可以是2,2'双(三氟甲基)4,4'二氨基苯基醚，4-苯乙炔基苯酐、1,2,4,5环己烷四甲酸二酐、苯乙炔基偏苯三酸酐等。
⑷将二维材料涂层与碳纳米结构薄膜置于轴承类装置中，组成滑动摩擦配伍对；在1~1000N载荷、0.05~30cm/s速度下，碳纳米结构薄膜通过自身高弹性分散高载条件下施加在二维材料涂层上接触应力，维持二维材料结构完整性，实现长寿命和摩擦系数低至0.003的固体超润滑。
实施例1 一种轴承类装置稳健固体超润滑方法，包括以下步骤：
⑴采用等离子体气相沉积技术在轴承类装置丁晴橡胶保持架表面上制备类富勒烯碳薄膜，使得该薄膜氢含量为20at.%，薄膜表面粗糙度2nm，薄膜纳米硬度在21GPa以上且弹性回复高于85%。
⑵制备石墨烯和二硫化钼粉体，片径约200nm，层数小于15，表面光滑。
⑶在行星式球磨机中，将石墨烯和二硫化钼粉体与滚动体氧化锆球按照重量比（g/g）1：110混合，并保持粉体与滚动体的总体积占球磨罐容积10%，转速控制在100rpm，球磨时间为5h，从而使氧化锆球表面上得到二维异质材料涂层。
⑷将二维材料涂层与类富勒烯碳薄膜置于轴承类装置中，组成滑动摩擦配伍对；在100N载荷、10cm/s速度下，类富勒烯碳薄膜通过自身高弹性分散高载条件下施加在二维材料涂层上接触应力，使得二维材料特征拉曼峰位移及比值显著降低，从而维持二维材料结构完整性（如图1所示）。同时，实现长寿命和摩擦系数低至0.007的固体超润滑，如图2所示。
实施例2 一种轴承类装置稳健固体超润滑方法，包括以下步骤：
⑴用磁控溅射化学气相沉积技术在轴承类装置丁晴橡胶保持架表面上制备碳洋葱薄膜，使得该薄膜氢含量28at.%，薄膜表面粗糙度1.5nm，薄膜纳米硬度在24GPa以上且弹性回复高于90%。
⑵制备石墨烯粉体，片径约200nm，层数小于5，表面光滑。
⑶在行星式球磨机中，将石墨烯与滚动体钢球按照重量比（g/g）1：180混合，并保持粉体与滚动体的总体积占球磨罐容积10%，转速控制在100rpm，球磨时间为5h，从而使钢球表面上得到二维同质材料涂层。
⑷将二维材料涂层与碳纳米结构薄膜置于轴承类装置中，组成滑动摩擦配伍对；在15N载荷、5cm/s速度下，碳洋葱薄膜通过自身高弹性分散高载条件下施加在二维材料涂层上接触应力，维持二维材料结构完整性，实现长寿命（1×106）和摩擦系数低至0.003的固体超润滑，如图3所示。

Claims (4)

1.一种轴承类装置稳健固体超润滑方法，包括以下步骤：
⑴在轴承类装置保持架表面上制备碳纳米结构薄膜，使得该薄膜氢含量在15~30at.%之间，薄膜表面粗糙度≤10nm，薄膜纳米硬度在18GPa以上且弹性回复高于85%；所述碳纳米结构薄膜是指类富勒烯碳薄膜、类石墨碳薄膜、碳洋葱薄膜中的一种；
⑵制备二维纳米材料粉体，并使该粉体片径在20~500nm之间，片内层数少于20，片层表面无明显褶皱且光滑；所述二维纳米材料粉体是指石墨烯及包括二硫化钼或二硒化钼的二维硫属化合物；
⑶在行星式球磨机中，将所述二维纳米材料粉体与滚动体按照重量比1：50~200混合，并保持粉体与滚动体的总体积小于球磨罐容积15%，转速控制在50~300rpm之间，球磨时间为1~10h，从而使滚动体表面上得到二维材料涂层；
⑷将所述二维材料涂层与所述碳纳米结构薄膜置于轴承类装置中，组成滑动摩擦配伍对；在1~1000N载荷、0.05~30cm/s速度下实现固体超润滑。
2.如权利要求1所述的一种轴承类装置稳健固体超润滑方法，其特征在于：所述步骤⑴轴承类装置保持架的材质是指包括丁晴橡胶或聚酰亚胺的聚合物。
3.如权利要求1所述的一种轴承类装置稳健固体超润滑方法，其特征在于：所述步骤⑶中滚动体是指表面粗糙度≤10μm的钢球、氧化铝球、氧化锆球、氮化硅球、碳化硅球中的一种。
4.如权利要求1所述的一种轴承类装置稳健固体超润滑方法，其特征在于：所述步骤⑶中球磨时还加入聚合物前驱体或固化剂。
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