固液复合润滑体系的摩擦学行为研究进展

彭成龙，刘小琴

（和田师范专科学校，新疆 和田 848000）

摩擦磨损现象目前在自然界普遍存在。根据报道，世界上80%的机械零部件和50%以上的机械装备因润滑失效和过度磨损而引发恶性事故，世界钢材的45%和全球1/3的能源浪费于摩擦和磨损，它所造成的经济损失十分巨大。与此同时，当前国家高速发展的空间技术和机械对于润滑防护材料的高性能要求日益增强，润滑材料的使用寿命已成为空间移动机械组件和摩擦学组件长期稳定运转工作的关键因素。由于空间的恶劣环境，例如超高真空、高温、低温、空间辐射等，润滑剂容易被浪费和降解。一旦润滑剂破损，空间硬件就会大量减少并失效，从而阻止了进一步的功能。不断的研究发现，已经有许多适合空间环境的固体润滑剂和液体润滑剂。固体润滑材料包括石墨、MoS2基复合涂层、金属涂层（Pb、In、Au、Ag）、聚合物基复合材料（PTFE和 PEEK）以及液体润滑剂全氟聚醚（PFPE）、多烷基化环戊烷（MACs）等润滑材料先后被报道应用于空间技 术[1-2]。然而，无论是固体润滑剂还是液体润滑剂，总存在一定的缺陷，例如摩擦噪声较高、硬度低、高温易降解、使用寿命有限等。目前还没有单一的润滑材料完全符合这些要求，因此积极开发和研究新型高性能润滑材料对于空间发展具有重要的战略意义。本文将对近几年来固液复合润滑体系的研究进展和发展前景进行简单综述。

1 研究进展

目前许多研究者通过采用固液复合润滑的方式来提高和改善润滑材料在苛刻环境下的摩擦学性能。张灿[3]等在潮湿环境下对MoS2-Au薄膜与SiCH润滑油构成的固体-液体复合润滑体系摩擦行为进行了探究。结果显示，MoS2-Au/SiCH复合润滑体系在潮湿环境中展现出了良好的协同润滑效应，其在25 ℃时50%和70% RH湿度条件下具有较低的摩擦系数和磨损率。王燕[4]等在真空环境下探究了MoS2/SiCH固液复合润滑体系的摩擦学性能。结果显示，固液复合润滑体系相比于单一的 MoS2薄膜可以有效地提高摩擦寿命以及降低摩擦磨损。WANG[5]等在25 ℃和100 ℃的条件下探究了DLC碳膜在不同载荷条件下的摩擦学性能。结果表明，在油存在的情况下，DLC薄膜摩擦系数随着载荷的增大而逐渐减小，具有良好的减摩性能。汪佳[6]等考察了白油运动黏度对FLC/白油固液复合润滑体系的摩擦学性能影响。结果表明，运动黏度在32 mm2·s-1时，摩擦系数达到最小（0.114），同时，FLC薄膜的磨损率随白油黏度增大而减小，当白油黏度超过 26 mm2·s-1之后，变化幅度趋缓。徐骏[7]等探究了全氟聚醚润滑剂（PFPE）油脂条件下类金刚石（DLC）薄膜的最佳沉积工艺，并对其固液复合润滑体系进行摩擦磨损研究。结果显示，在大气环境下，其摩擦系数低于0.15，摩擦磨损寿命高于2.1×106r；在真空环境下，其摩擦系数低于0.1，摩擦磨损寿命高于2.11×106r。WANG课题组[8]选择了5种广泛研究的液体润滑剂，包括聚(四氟环氧乙烷-共二氟亚甲基)（Zdol）、甲基封端的硅油、工业基油（PAO 100）、MACs 和 ILs（3-己基-1-甲基咪唑六氟磷酸盐）与DLC薄膜结合制备DLC基固液复合润滑涂层。随后对这些复合润滑涂层在高真空（~10-5Pa）下的摩擦学性能进行了对比研究。结果表明，MACs、IL和Zdol涂层在高真空下具有优异的减摩性和耐磨性。随后探究由TiC/a-C∶H固体涂层和作为上层的 MAC（多烷基化环戊烷）的液体润滑膜组成的固液复合润滑体系在高真空条件下的摩擦学行为和协同润滑机理。相比于快速失效的单一TiC/a-C∶H固体涂层和MAC液体润滑剂，碳基固液复合的涂层摩擦系数始终保持在相对稳定的值。并通过建立碳基固液协同润滑模型以此来解释固液润滑涂层更低更稳定的摩擦系数以及更长的磨损寿命，如图1所示[9]。

图1 碳基固-液双相涂层可能的润滑机理的示意

WANG的研究小组进一步研究了原子氧（AO）、紫外（UV）、质子和电子辐照对 DLC/ILs固液润滑涂层组成、结构、形态和摩擦学性能的影响。实验结果表明，辐照诱导了DLC薄膜和IL润滑剂的结构变化，包括氧化、键断裂和交联反应。质子和AO辐照对润滑材料的破坏最严重，紫外线照射最轻微。照射后，固液润滑涂层的摩擦系数降低（AO照射除外），但与非照射涂层相比，盘磨损率有所增加[10]。权鑫[11]等通过将WS2-MoS2薄膜与MACs太空油结合，实现了固/液润滑系统，并在真空条件下研究了其摩擦学行为。研究确定，WS2-MoS2/MACs固/液润滑系统更好地整合了固体和液体润滑的优点，形成协同润滑效果，并建立摩擦学模型来解释协同润滑机理，如图2所示。

图2 协同润滑机理示意图

WANG[12]等考察了由PFPE、CPSO以及3种不同的固体润滑材料聚酰亚胺、聚四氟乙烯和 Cu基合金组成的不同固-液复合润滑材料在真空和辐照条件下的摩擦学行为。结果表明，由于流体动力润滑，聚合物基固液润滑材料具有优异的摩擦学性能。而且，对于相同的固体基板，稳态接触角的值越小，摩擦系数越高。因辐照会导致润滑油的降解，使摩擦系数和磨损率增加，从而降低了润滑性能。与PI/PFPE相比，PI/CPSO固液润滑材料具有良好的辐照稳定性。ZHU[13]等探究了海水条件下镍铝银合金的固/液润滑行为。他将固体润滑与海水润滑结合，在模拟海水中研究了高强度金属化合物基固体润滑合金（Ni3Al-Ag合金）与Al2O3陶瓷的摩擦磨损行为。结果表明， Ni3Al-Ag合金由于Ag存在的作用而在海水中表现出较低的摩擦系数和磨损率。海水条件下摩擦学性能的改善主要是由于固体和液体润滑的协同作用。

ZHENG[14]等在真空下比较了4种油（包括两种全氟聚醚油和两种硅油）润滑条件下聚酰亚胺（PI）的摩擦学性能。基于PI的固液润滑剂，适用于真空中不同温度。结果发现，PI的摩擦学性能在油润滑条件下显着提高。随着试验温度的降低，由于液体润滑剂的流动性在较低温度下受到限制，摩擦系数有所增加，但磨损率却表现出明显的规律。ZHU[15]等研究了在海水条件下高强度金属间化合物基固体润滑合金镍铝银合金的固液润滑行为，在海水条件下，Ni3Al-Ag 合金的摩擦系数相对较低，为0.11~0.08，磨损率约为(1~2)×10-7mm3·Nm-1。海水在 Ni3Al-Ag 合金的摩擦和磨损响应中起润滑、冷却和腐蚀作用。YAN[16]等分别制备了 Cr掺杂类石墨碳（Cr-GLC）涂层和Cr掺杂类金刚石碳（Cr-DLC）涂层，并将离子液体（ILs）作为润滑剂，研究了固液复合润滑系统的润滑行为。结果表明，与干态相比，摩擦系数降低了约40%，复合体系表现出良好的协同润滑效果。同时，复合体系的协同效应受离子液体的黏度和腐蚀性以及涂层的微观结构所影响。LI[17]等将Cu纳米粒子添加到PAO6基础油中，构成了具有 W-DLC膜的固液复合润滑体系。通过球盘摩擦试验系统研究了纳米颗粒浓度、试验温度和外加载荷对摩擦学性能的影响。结果表明，球形Cu纳米颗粒的承载效应和软胶体磨料膜有助于复合润滑系统在温和试验条件下具有优异的摩擦学性能。ZHANG[18]等提出了一种由MoS2薄膜与超分子凝胶组合形成的新型固液复合润滑系统，该润滑系统无论在真空或大气条件下都具有良好的摩擦学性能。主要归因于 MoS2膜和凝胶之间的突出协同作用，在摩擦副表面形成了连续的转移膜。ZHU[19]等在高温下探究了全氟聚醚 （PFPE）油和DLC薄膜的固/液润滑性能。实验结果表明，固液协同润滑有利于改善钢相关摩擦系统的摩擦学性能，由于PFPE 油具有优异的热稳定性，摩擦系统在 PFPE油下表现出低摩擦行为。PFPE油下摩擦系统的摩擦系数降低至0.029。

2 发展前景

随着高新技术产业日益发展，高性能润滑材料对于发展空间技术、信息技术、电子工业等各领域具有非常重要的意义，并将是摩擦润滑领域待解决的一个重要方向。不断探索高性能润滑材料将成为空间润滑领域亟待解决的前沿课题 之一。

固液复合润滑体系在高真空环境下展现出良好的摩擦学行为，有效地克服了空间传统固体润滑剂和液体润滑剂的缺陷，为空间应用的发展提供了巨大的潜力，成为当今空间润滑领域研究的焦点，已引起了广泛学者的关注。随着不断的研究和发展，高性能空间润滑材料将不断涌现。固液复合润滑体系展现出非常广阔的发展前景，但仍存在一些因素需要考虑和进一步研究：

1）固液复合润滑体系在空间环境下显示出良好的减摩耐磨性能，但是在摩擦过程中如何让液体润滑剂能长期储存在固体薄膜表面，以至于不会因为零部件的运动而被甩出去从而导致润滑失效是接下来需要解决的问题，也是未来研究的重要方向。

2）对各种摩擦条件和环境下固液复合体系的性能需要进行更多研究，以了解它们之间的关系和摩擦机理，以便于更好地设计和选择合适的润滑系统。

3）优化固液复合润滑体系，考虑到在各种摩擦条件下的实际操作，以获得更优异的减小摩擦和抗磨损性能。

3 结束语

具有较强自适应能力、环境敏感性较低、自修复功能较强的固液复合润滑体系的提出为空间润滑的研究提供了一个良好的方向。通过采用固液复合润滑体系的方法，有效地克服了单一润滑材料在空间应用中摩擦噪声较高、硬度低、高温易降解以及使用寿命有限等缺陷。同时结合于固体润滑材料和液体润滑材料本身优良的物化性及在摩擦过程中的相互协同作用，不同的固液材料之间可以相互组合，从而赋予固液复合润滑体系更优良的功能特性，这对于其在空间润滑领域中的应用有着重大的意义。可以预见，随着研究的不断深入，固液复合润滑体系在未来的发展中必将实现工业化。