CN114540099B - 一种超滑体系及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超滑体系，所述超滑体系是以己二酸二(2‑乙基己基)酯为润滑剂，碳化硅或氮化硅/聚酰亚胺作为摩擦副，实现摩擦系数至0.001量级，发生超滑现象。

Description

一种超滑体系及其应用
技术领域
本发明涉及润滑材料技术领域，具体是一种超滑体系及其应用。
背景技术
人类社会生产生活离不开摩擦与润滑，人类的发展与其密切相关。在高性能的润滑系统中，超滑作为一种提高生产效率、降低能耗的最有效的方式之一越来越得到人们的广泛关注，其中超滑系统的设计尤为引人重视。所谓超滑是指能实现摩擦系数在0.001量级或以下的摩擦行为。超滑有望大幅度降低摩擦能耗、材料磨损和摩擦噪声，实现机械的精密控制。
碳化硅(SiC)是Si和C两种元素组合的稳定化合物，其结构和性能非常独特。它是典型的共价键化合物，具有非常多的同素异构体，且每一种同素异构体中的每一个碳原子都被4个硅原子紧密包围，同时每一个硅原子也都被4个碳原子紧密包围，即每个原子与其四个最相邻的其他元素的原子以SP3杂化的共价键结合成正四面体结构。所有的碳化硅同素异构体都可看成是由一种基本结构完全相同的正四面体型硅-碳双原子层堆垛而成，不同的同素异构体的区别仅仅是双原子层的堆垛次序。由于它的结构特征，碳化硅晶体是目前所知最硬的物质之一，同时它的化学性能十分稳定，且在常压下不熔化，加热至2300℃左右升华，它的导热性能良好、抗冲击好，因此可以用于具有优良的耐化学腐蚀、耐磨、耐高温，摩擦系数小、导热系数高、热膨胀系数低，抗高温蠕变及机械强度高的自润滑机械材料。
氮化硅(Si3N4)是Si和N两种元素组合的稳定无机物，为原子晶体，正八面体结构，正八面体的两个顶是Si，四个N是八面体的中间平面的4个点，以这四个N产生的平面的中心即为第三个Si的位置，即每个Si都连着四个N，每个N都连着3个硅，N-N之间没有连接。氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一，硬度大，本身具有润滑性，耐磨性，高温抗氧化性，抵抗冷热冲击，且具有惊人的耐化学腐蚀性能，同时又是一种高性能电绝缘材料。因此人们常常利用氮化硅来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。
聚酰亚胺(polyimide,简称PI)是一种新型耐高温工程塑料，它是四酸二酐与二胺的亚胺化反应而形成的高分子材料，作为一种耐磨材料广泛应用于高温，耐化学介质、耐辐射、自润滑的机械领域。
双酯(diester，简称DE)是一种广泛应用的重要的工业润滑酯类基础油成分，产量大，价格便宜，能够普遍运用于机械领域。不同于矿物润滑油低温性能差的缺点，双酯能作为生产低凝润滑油的原料，用于飞机、车辆、机枪和铁路机车等机械部件。
尽管碳化硅或氮化硅及聚酰亚胺都广泛用于机械领域，都能直接用作自润滑材料，但整个运动体系依然达不到超低摩擦状态。因此使用广泛应用的双酯作为润滑剂，碳化硅或氮化硅/聚酰亚胺配副实现稳定超滑状态，以及实际在机械领域运用的探索依然具有重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种超滑体系及其应用，实现摩擦系数至0.001量级，发生超滑现象。
本发明提供的技术方案：一种超滑体系，所述超滑体系是以己二酸二(2-乙基己基)酯为润滑剂，碳化硅或氮化硅/聚酰亚胺作为摩擦副。
所述己二酸二(2-乙基己基)酯的分子结构式如下：
Figure BDA0003536899260000031
进一步，所述聚酰亚胺材料为PMDA(pyromellitic dianhydride，均苯四甲酸二酐)-ODA(4,4'-oxybisbenzenamine，4,4’-二氨基二苯醚)型聚酰亚胺。
一种超滑体系的应用，以己二酸二(2-乙基己基)酯为机械部件的润滑剂，碳化硅或氮化硅及聚酰亚胺作为机械部件的配副材料。
进一步的，所述超滑体系应用于轴承中，以己二酸二(2-乙基己基)酯为润滑剂，碳化硅或氮化硅与聚酰亚胺或涂覆聚酰亚胺的基材配副制成径向滑动轴承。
本发明以己二酸二(2-乙基己基)酯这种双酯作为润滑剂，碳化硅或氮化硅和PMDA-ODA型聚酰亚胺材料配副，该运动系统的稳定阶段的平均摩擦系数低至0.001量级，实现稳定的超滑现象，以达到降低机器的能源损耗，提高运行精确性和稳定性，延长机器的使用寿命的目的。
附图说明
图1是本发明的双酯的分子结构式；
图2是本发明使用的PMDA-ODA型聚酰亚胺材料的分子结构式；
图3是本发明的双酯润滑时SiC/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦时摩擦系数随时间变化图；
图4是本发明的双酯润滑时Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦时摩擦系数随时间变化图；
图5是本发明的双酯润滑时Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副的面-面摩擦时摩擦系数随时间变化图；
图6是本发明的无润滑剂时SiC/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦时摩擦系数随时间变化图；
图7是本发明的无润滑剂时Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦时摩擦系数随时间变化图；
图8是本发明的无润滑剂时Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副的面-面摩擦时摩擦系数随时间变化图；
图9是本发明使用的偏苯三甲酸酯的分子结构式；
图10是本发明的偏苯三甲酸酯润滑时Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦时摩擦系数随时间变化图；
图11是本发明的正十六烷润滑时Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦时摩擦系数随时间变化图；
图12是本发明的偏苯三甲酸酯润滑时SiC/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦时摩擦系数随时间变化图；
图13是本发明的正十六烷润滑时SiC/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦时摩擦系数随时间变化图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以下实施例中均利用UTM-3型微摩擦试验机(德国布鲁克公司)进行微摩擦试验。试验时，使用SiC或Si3N4球(直径为4.76mm)作为静试件，聚酰亚胺材料贴附于固定盘上作为旋转运动的盘试件，以相应的转速旋转。试验载荷通过球试件的中心线垂直施加，以点-面或面-面接触模式进行试验。在相应的载荷下，在SiC或Si3N4球和酰亚胺材料之间滴加0.1-0.2ml的双酯或其他润滑剂，或者不滴加润滑剂，试验在室温下进行。试验过程中，摩擦系数(coefficient of friction，COF)由电脑自动记录，然后软件计算得到平均摩擦系数。
实施例1
分别以图1所示的双酯作为SiC或Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副时的运动系统的润滑剂，以200rmp的转速旋转，环形摩擦路径的半径为8.5mm，试验载荷为5N，点-面接触，在同一个摩擦副上进行数周期各1h的试验，其摩擦系数随时间变化图如图3，4所示。其中图3中5N-DE-SiC/PI(ODPA-ODA)/200rpm-1，表示的是在5N载荷下，转速为200rmp时，双酯润滑，SiC/PI(ODPA-ODA)配副时，第一个测试周期中摩擦系数随时间变化图，5N-DE-SiC/PI(ODPA-ODA)/200rpm-2，5N-DE-SiC/PI(ODPA-ODA)/200rpm-3，同理类推。图4表示的是在5N载荷下，转速为200rmp时，双酯润滑，Si3N4/PI(ODPA-ODA)配副时，每一小时的测试周期中摩擦系数随时间变化图。
如表1和图3所示，在5N载荷下，转速为200rmp时，双酯润滑，SiC/PI(ODPA-ODA)配副时，测试的第二个周期运动体系的平均摩擦系数处于0.001量级，体系从第二个测试周期开始进入了超滑状态，第三个周期处于稳定超滑状态。
表1双酯润滑时SiC/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦每个测试周期的平均摩擦系数
Figure BDA0003536899260000061
如表2和图4所示，在5N载荷下，转速为200rmp时，双酯润滑，Si3N4/PI(ODPA-ODA)配副时，测试的第二个周期开始运动体系的平均摩擦系数处于0.001量级，体系从第二个测试周期开始进入了稳定的超滑状态。
表2双酯润滑时Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副的点-面摩擦每个测试周期的平均摩擦系数
Figure BDA0003536899260000062
实施例2
无润滑下，砂纸贴附于固定盘上作为旋转运动的盘试件，以相应的转速旋转。Si3N4球与砂纸(180目)配副下，砂纸以60rmp的转速旋转，环形摩擦路径的半径为8.5mm，载荷为5N，点-面接触，运行5min；Si3N4球旋转90°，同样试验条件，运行5min；再将Si3N4球旋转-90°，回到最初位置，将砂纸更换为1000目，其他试验条件不变，运行3min；Si3N4球再旋转90°，将砂纸更换为2000目，其他试验条件不变，运行5min，得到一个Si3N4平面。以图1所示的双酯作为Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副时的运动系统的润滑剂，以200rmp转速旋转，环形摩擦路径的半径为8.5mm，试验载荷分别为5，25，45，65，85，105，125，145，及165N，Si3N4平面与PMDA-ODA型聚酰亚胺材料面-面接触，在同一个摩擦副上进行9个周期不同载荷各1h的试验，其摩擦系数随时间变化图如图5所示。图5表示的是在相应载荷下，转速为200rmp时，双酯润滑，Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副，面-面摩擦时，每一小时的测试周期中摩擦系数随时间变化图。
表3双酯润滑时Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副的面-面摩擦不同载荷的每个测试周期的平均摩擦系数
Figure BDA0003536899260000071
如图5和表3所示，在载荷较低时，即5，25，45，及65N这四个测试周期平均摩擦系数为0.01796-0.0110，逐渐降低，随着载荷提高，进入第五个测试周期(85N)该运动体系开始进入超滑状态直至稳定，一直到测试的最后一个周期，运动体系始终处于稳定的超滑状态。
对比例1
无润滑剂润滑时，SiC或Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副，以200rmp的转速旋转，环形摩擦路径的半径为8.5mm，试验载荷为5N，点-面接触，进行数个周期各1h试验，其摩擦系数随时间变化图如图6，7所示。图6中5N-SiC/PI(PMDA-ODA)/200rmp-1表示的是在5N载荷下，转速为200rmp时，无润滑，SiC/PI(PMDA-ODA)配副时，第一个测试周期中摩擦系数随时间变化图，其他同理类推。如图6，7所示，这两个过程的摩擦系数都一直较大，平均摩擦系数都远大于0.001数量级，运动体系不在超滑状态。
对比例2
无润滑下，砂纸贴附于固定盘上作为旋转运动的盘试件，以相应的转速旋转。Si3N4球与砂纸(180目)配副下，砂纸以60rmp的转速旋转，环形摩擦路径的半径为8.5mm，载荷为5N，点-面接触，运行5min；Si3N4球旋转90°，同样试验条件，运行5min；再将Si3N4球旋转-90°，回到最初位置，将砂纸更换为1000目，其他试验条件不变，运行3min；Si3N4球再旋转90°，将砂纸更换为2000目，其他试验条件不变，运行5min，得到一个Si3N4平面。无润滑剂润滑下，Si3N4/PI(PMDA-ODA)材料配副下，以200rmp的转速旋转，环形摩擦路径的半径为8.5mm，试验载荷为5N，Si3N4与PMDA-ODA型聚酰亚胺材料面-面接触，进行三个周期各1h试验，其摩擦系数随时间变化图如图8所示。图8中5N-Si3N4/PI(PMDA-ODA)/200rmp-1表示的是在5N载荷下，转速为200rmp时，无润滑，Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副时，第一个测试周期中摩擦系数随时间变化图，其他同理类推。该过程的摩擦系数一直较大，平均摩擦系数远大于0.001数量级，该运动体系不在超滑状态。
对比例3
在一种偏苯三甲酸酯(Trimellitate，简称TMT，结构式如图9)或正十六烷润滑时，Si3N4/PI(PMDA-ODA)或SiC/PI(PMDA-ODA)配副下，以200rmp的转速旋转，环形摩擦路径的半径为8.5mm，试验载荷为5N，点-面接触，分别进行3个周期各1h试验，其摩擦系数随时间变化图如图10-13所示。图10中5N-TMT-Si3N4/PI(PMDA-ODA)/200rmp-1表示的是在5N载荷下，转速为200rmp时，偏苯三甲酸酯润滑，Si3N4/PI(PMDA-ODA)配副时，第一个测试周期中摩擦系数随时间变化图，其他同理类推。这些过程的摩擦系数一直较大，平均摩擦系数均大于0.001数量级，这些运动体系不在超滑状态。
实验结果表明：无润滑剂润滑时，碳化硅或氮化硅与聚酰亚胺配副时，无论是点-面还是面-面接触摩擦系数未达到0.001数量级，未实现超滑现象；而以本发明提供的双酯作为润滑剂，碳化硅或氮化硅与聚酰亚胺配副时，点-面或是面-面接触，都能有效降低摩擦副间的摩擦，稳定运动状态的摩擦系数都低至0.001量级，实现体系的超滑行为，常规的润滑剂如偏苯三甲酸酯或者正十六烷润滑时，碳化硅或氮化硅与聚酰亚胺配副无法实现超滑，双酯在该超滑体系作为润滑剂不是随意可以替换或联想的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.己二酸二(2-乙基己基)酯在超滑体系中的应用，其特征在于，以己二酸二(2-乙基己基)酯为润滑剂，碳化硅或氮化硅/聚酰亚胺作为摩擦副。
2.根据权利要求1所述的己二酸二(2-乙基己基)酯在超滑体系中的应用，其特征在于：所述聚酰亚胺为PMDA-ODA型聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的己二酸二(2-乙基己基)酯在超滑体系中的应用，其特征在于：以己二酸二(2-乙基己基)酯为机械部件的润滑剂，碳化硅或氮化硅及聚酰亚胺作为机械部件的配副材料。
4.一种超滑体系的应用，其特征在于：所述超滑体系应用于径向滑动轴承中，以己二酸二(2-乙基己基)酯为润滑剂，碳化硅或氮化硅与聚酰亚胺或涂覆聚酰亚胺的基材配副。
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