耐磨材料应用于涂层防护方面的研究与进展

修雪英

摩擦会对材料造成较大的磨损，不仅会影响到相应器件的使用寿命和运行安全，而且还会使得相应工程结构受到不良影响，进而造成较大的经济损失。因此，为降低摩擦损耗及其经济损失，加强对于耐磨材料的应用研究，并将其融入到涂层防护当中，是提高器件耐磨性能的重要举措。耐磨涂层技术的研究和发展，极大地降低了材料损耗，对于保障生产安全，提高经济效益有着重要意义。

1 无机耐磨涂层

1.1 硬涂层

硬涂层主要指的就是硬度较高等特定性能优势，而将其涂刷在材料表面之后，不会对材料本身强度等产生不良影响，主要包括TiN、CrN以及TiC等一元涂层，还包括诸如TiCN、TiAlN、TiCrN等二元涂层，以及各种在此基础之上发展出来的多元涂层、多层涂层和纳米复合涂层等，其在耐磨涂层的研发过程中有着十分重要的作用。其中TiN的硬度为2000HV，而TiSiN的硬度更是高达3700HV，但是前者的高温抗氧化性相对较差，而由后者制成的耐磨涂层，其压缩残余应力相对较大，并且黏着力较差，若仅以单层的TiSiN作为耐磨涂层进行工件制作，其可行性相对较差。

对此，部分学者通过在600℃的高温下，对TiSiN涂层展开了清理试验，以此达到降低其残余应力的目的，并取得了良好成效，使得由此制成的组合耐磨涂层不仅有着较高的抗损伤性能，而且材料的粘着力也有了极大地改善。在纳米结构硬质涂层制备方面，Yin-YuChang等学者则通过在TiN、CrN和ZrN中加入Al和Si，以此获得了多组分的AlTi-CrN、AlCrSiN、AlTiSiN、ZrSiN和ZrAlSiN涂层，经过试验研究发现，与普通TiN、CrN等一元涂层相比，由此制备而成的多组分涂层其不仅机械性能更好，而且在热稳定性方面也表现出了较好的性能。随着耐磨材料在涂层当中的应用研究，硬质涂层性能水平得到了良好发展，其主要优势表现在较为突出的刚性，而且尺寸十分稳定，但是由无机材料制备而成的硬质涂层也存在着较为明显的缺陷问题，就是附着能力相对较低，在实际应用的过程中，与基材之间的结合效果相对较差，这也是当前限制无机耐磨材料在涂层防护当中应用的主要因素。

1.2 软涂层

无机材料制成的软涂层主要指的是MoS2涂层，以及由MoS2和Au、Pb等多种无机材料共同沉积得到的一元或者二元复合涂层，和在此基础之上与Au、Ti、Cr等复合制备的多元涂层，此外，还包括由MoSx与Au、Pb、Ni、Ti在层层叠加之下得到的多层涂层。相较于硬土层而言，由无机材料制备而成的软土层，其主要优势为摩擦系数相对较低，但是若长期暴露在潮湿环境当中，软涂层的摩擦系数也会逐渐提高，最终使得涂层失效。MoS2是一种性能十分优越的软涂层，在润滑性能方面有着突出的优势。但是由于纯MoS2涂层的厚度相对较薄，而且与基层材料的结合性能相对较弱，因此将该材料运用在涂层防护当中相应材料的耐磨寿命相对较短，为解决这一问题，将该材料与其他硬质材料等进行有机结合，以此形成具有良好耐磨性能的润滑涂层，在达到减少磨损目的的同时，也能够适应各种高温以及较大荷载工况需求。而且由于MoS2自身多层结构这一特点，因此使得由该材料制成的相应涂层也具有较好的润滑性能，而且不需要吸附气体分子也能够有效保障自身较低的摩擦系数，在真空环境当中得到了十分广泛的应用。

在赵家政等学者的不断研究之下，发现当将硫钼原子比控制在2.00左右时，再利用磁控溅射技术制备的MoS2润滑薄膜，其耐磨寿命相对较长，有着较好的应用效果。学者李磊等人则借助Ni-Al系自蔓延反应，通过对温度的控制和不断试验，在钢基体表面制备润滑涂层，最后确定了MoS2在Ni-Al-MoS2体系中烧损的临界温度为560℃，而在Ni3Al-MoS2体系中烧损的临界温度为1200℃，以此在自蔓延反应下制备合成了NiAl系金属间化合物，以此有效解决了MoS2在自蔓延反应当中容易烧损的问题，并将涂层的摩擦系数控制在了0.2以下，有效保障了涂层的自润滑性能。软涂层的主要优势和特点表现为能够降低摩擦系数，保障材料润滑效果，以此降低材料与环境之间的摩擦，减少材料磨损。

1.3 复合涂层

虽然硬涂层和软涂层各有优势，但同时也各自存在一定缺陷问题。硬涂层的表面硬度较好，但是附着能力相对较低，摩擦系数较大，硬涂层的硬化会增加金属间接触产生的滑动磨损。而软涂层虽然摩擦系数较低，并且有着较好的自润滑性能，但是材料硬度不足。对此，为满足更多工况要求，学者们通过将软硬涂层进行复合处理，以此得到表面硬度较高、摩擦系数较低的复合涂层。R.Gil More等学者，通过直流磁控溅射技术制作了TiNMoS2复合镀层，有效将软硬涂层的优势结合在了一起，即保护了涂层的表面硬度，同时也达到了降低材料摩擦系数的效果。还有学者借助超音速团束以及阴极电弧反应蒸发技术，制备了具有较好纳米摩擦学性能的TiN薄膜。此外，除了对涂层摩擦性能方面的研究，还存在对于材料硬度要求较高的情况，因此也有学者通过阴极笼式等离子体沉积技术促使固体润滑材料与硬质涂层进行紧密结合，以此达到提高材料硬度的目的。

1.4 高温耐磨涂层

高温摩擦磨损是当前机械运动领域当中环境较为恶劣的失效情况，尤其是在军工、航空等领域当中，高温摩擦所带来的损失和影响是十分巨大的，为进一步提高零部件的高温磨损性能，通常会通过涂刷高温耐磨涂层予以保护，本文以当前常见的镍基以及钴基高温耐磨涂层为例，针对其研究情况展开探讨。

镍基高温合金的主要优势在于高温状态下其力学性能、抗腐蚀能力都相对较强，是当前重要的高温材料，主要以镍为基体，还包括C、Cr、Co以及微量的B、Ce等元素。镍基涂层常被应用在锅炉等高温部件当中。由于高温工况环境恶劣，为保障镍基涂层的耐磨效果，通过在其中加入陶瓷增强相或者固体润滑相的方式，以此达到提高镍基高温涂层耐磨性的效果。对此，常用的增强相为WC，此外，还可以同增加Mo元素的方式补充材料耐磨性能。固体润滑剂则主要用于提高镍基涂层的减磨性能，NiCrAl-BN复合涂层的主要优势表现在显微硬度更高，而且涂层中的BN还具有自润滑作用，因此，该耐磨材料在涂层防护当中有着极强的耐腐蚀性以及耐磨性。复相固体润滑剂的添加能够有效提高镍基涂层的润滑性能，以此降低涂层表面的摩擦系数，减少涂层以及基层的摩擦损耗。学者刘海青等应用多种自润滑粉制备复合涂层，意在提升复合涂层的耐磨性能，达到降低摩擦系数的目的。

钴基高温耐磨涂层就是以钴为基体，与W、Ni、C等元素组成合金，钴合金的主要性能优势在于硬度较高，因此由此制成的耐磨涂层其耐磨性能相对较强；此外钴基合金的热稳定性能也相对较好，因此常被应用在高温耐磨涂层当中；同时钴基合金融化时湿润性较好，有助于获得热应力小、致密性高的材料，将其应用在高温涂层防护当中，不仅有着较好的耐腐蚀性，而且抗冲击性能以及抗磨损能力也相对较好。在实际应用的过程中，肯可通过添加增强相或者润滑剂的方式实现对于钴基材料性能的调整和改善，以此满足实际高温耐磨涂层需求。例如，可通过碳化物提升钴基涂层材料的耐磨性能，对此通常会在耐磨材料当中使用陶瓷相以此达到相应改性目的，WC是钴基涂层中常用的增强相，WC的应用能够使得钴基涂层当中元素分布情况发生变化，使得整个涂层更加致密、均匀，而且具有较强的硬度，以此增加材料耐磨性能，确保涂层防护效果。

2 有机耐磨涂层

2.1 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯简称PTFE，是一种具有较好耐温、耐酸碱、绝缘性，以及低摩擦系数和阻燃性的有机耐磨材料，其结构是以C-C作为主链，然后由其他氟原子围在主链周围，因此材料自身耐磨性、耐酸碱以及腐蚀性能十分优良，是作为润滑减磨改性涂层的重要材料。近年来，该材料在涂层防护当中的应用研究也在持续推进。杨广磊等学者的主要研究内容是针对含有聚四氟乙烯的润滑油脂的润滑性能，并研究分析了在不同转速、温度以及荷载情况下，相应润滑油脂的减磨原理，经研究发现，与低速下制备而成的物理吸附膜相比，高荷载状态下构建的化学迁移吸附膜其减磨效果更好，这也说明了该材料适合作为高荷载条件下器件的耐磨涂层。此外，也有学者针对纳米级聚四氟乙烯颗粒润滑性能展开研究并发现，在出现摩擦情况时，作为钢球表面的耐磨涂层，纳米聚四氟乙烯颗粒在摩擦作用之下，发生了化学反应，并由此生成了一层金属氟化物，有效发挥了自身耐磨作用，而且当聚四氟乙烯颗粒添加量达到3%时，还能够起到抑制材料表面黏着磨损的作用，有助于降低接触疲劳，这也表明了，相应耐磨材料的使用量，对于涂层的润滑性能有着直接的影响。

2.2 聚硅氧烷

聚硅氧烷的主要优势表现在无毒无害，而且化学稳定性较好，热稳定性较高，因此多被应用在高温工况下。在实际进行涂层制备的过程中，有机硅氧烷会在水解反应之下形成硅醇，并且在加热条件下，硅醇会发生脱水缩合反应，进而形成Si-O-Si键，并形成交联网状结构，相较于传统陶瓷涂层而言，这种涂层的耐腐蚀性能相对更好。Yangshuhan Xu等学者以碳钢为例，先通过对碳钢表面进行磷化处理，然后使用溶胶-凝胶法制备氟化聚硅氧烷，以此作为材料涂覆，不仅极大地提高了耐磨涂料与基材之间的附着力，而且表面涂层的防腐性能、防污效果也得到了有效保障。

2.3 多官能丙烯酸酯

多官能丙烯酸酯是由三羟甲基丙烷三丙烯酸酯等3官能度或以上的丙烯酸酯单体发生共聚反应制备而成的，该材料的主要优点在于良好的耐磨性能。基于此，一些学者认为提高有机玻璃的耐磨性能，会使用这种材料取代甲基丙烯酰胺共聚物。而且相较于传统耐磨涂层，该材料在玻璃表面有着较强的附着性能，能够充分发挥自身防护屏障作用。此外，为提高材料对于基材以及无机涂层的附着性能，还有学者通过在共聚反应当中引入氨基甲酸酯基团的方式，改善材料附着力，因此，也可以通过这种方式作为有机玻璃涂覆无机硬涂层的基底，以此保障耐磨涂层的防护效果。

2.4 聚氨酯

聚氨酯简称PU，是一种含有聚氨酯键的聚合材料，包括软质聚氨酯和硬质聚氨酯。其中软质聚氨酯的主要优势特点在于稳定性、耐化学性、力学性能以及回弹性能相对较好，因此在隔热、隔音、防毒、防震等方面有着较好的应用效果。而硬质聚氨酯的主要特点是质量小，隔音、隔热性能好，而且耐腐蚀性、电性较好，便于加工，此外硬质聚氨酯的吸水率较低。对此，有学者通过改性的方式，将纳米二氧化硅分散体喷涂到半固化有机硅改性聚氨酯树脂上，并通过提高材料表面微纳米粗糙程度，即保障了材料的耐磨性能，同时也提高了其疏水性能，通过此方法制备出来的涂层材料不仅耐磨性较好，而且强度较高，具有超疏水特点。基于聚氨酯涂层自身机械性能以及化学稳定性方面的优势特点，在当前有着极大的研究空间和发展前途。将该材料与其他不同性能的材料进行复合，能够针对不同工况环境制备出相应防护涂层，不仅能够有效保障涂层性能，而且还能够扩大涂层应用范围，对于涂层防护技术的发展和研究有着积极意义。

3 有机-无机耐磨涂层

有机-无机杂化耐磨涂料实际上就是借助化学键合的方式，将有机组分与无机组分连接到一起，以此在分子级上将有机高分子材料与无机材料进行复合，促使相应耐磨涂料能够兼具有机材料和无机材料的性能优势，即具备有机材料的高韧性、可加工性能以及介电性能，同时也具有无机材料刚性、尺寸稳定以及热稳定的优势。当前有机-无机杂化耐磨涂料研究和应用最为广泛的是聚硅氧烷。这种材料在涂料防护当中的主要作用是保护金属基体，起到隔离腐蚀的作用，以此延长金属基体使用寿命。随着对于有机-无机杂化耐磨涂料的研究不断深入，大多数学者通过溶胶-凝胶法合成了多种有机-无机耐磨材料，对于耐磨涂层的发展和应用起到了极大地推动作用。在溶胶-凝胶合成法当中，常用的前提为X（CH2）nSi（或）m，其中X代表有机官能团或可水解的烷氧基，在实际发生水解反应时，会生成Si-OH，然后与金属氢氧化物之间发生反应，进而促使耐磨涂层与金属基体更好地结合在一起，促使耐磨涂层的防护作用得到更好地发挥。与此同时，Si-OH会发生缩聚反应，进而形成Si-O-Si键，该键的出现，极大地提高了涂层的交联密度，进而保障了金属表面薄膜的致密度，有着较好的防腐作用。

学者姚玉勇等人以溶胶-凝胶技术为基础，探讨了固化温度，以及醋酸催化剂使用量对于复合耐磨涂层性能方面的影响，而且通过将多种硅氧烷进行混合，作为有机前驱体，进行复合涂层的制备研究。学者Chen X等人则针对冷凝过程中容易造成裂缝，而导致聚硅氧烷类涂层的防腐作用有限这一情况，展开了研究，他们以溶胶-凝胶法为基础，借助无机相正硅酸乙酯和环氧材料研制了有机硅-环氧树脂涂层和预水解正硅酸乙酯（HTEOS）复合涂层，并且在研究过程中发现，当预水解正硅酸乙酯添加量达到4wt%时，此方法制备而成的复合材料有着较好的耐腐蚀性以及抗冲击性。而学者M. Barletta等人则针对复合涂料粘附力、耐刮擦性等性能提出了新的制备方法，通过使用含有甲基苯基的高分子量聚硅氧烷树脂，制备Fe3O4型结构钢的防护涂层，以此提升防护涂层的延展性，以此降低材料固化收缩时所产生的内应力，进而降低涂层开裂概率，提升涂层的耐磨性以及耐刮擦性能，达到延长防护涂层使用寿命的目的。

4 结语

耐磨材料的研究和开发是促进涂层防护发展，降低材料磨损的基础环节，不仅能够有效保护材料，延长材料使用寿命，而且还能够达到降低生产成本的目的，因此近年来针对耐磨材料在涂料防护当中的应用研究从未停止，并且逐渐深入。不同的耐磨材料其特点和优势作用不同，在涂层防护领域的应用方向也存在一定差异。其中无机耐磨材料由于具备较好的热稳定性和机械性能，常被应用在高温工况当中，但是也存在附着性能较差等缺陷问题。而有机耐磨材料的主要优势则表现在与基体之间的附着性较好，防腐性能较强的优势，但是却不适用于高温环境当中，而且与无机耐磨材料相比，其硬度、耐磨性等相对较弱。此外，为解决无机或者有机材料方面的缺陷问题，进一步拓宽耐磨材料应用范围，有机-无机杂化耐磨涂料也逐渐得到了更多的研究，通过将无机材料颗粒复合到有机材料当中，以及促使复合材料兼具有机材料和无机材料优势，以此达到良好防护效果。除此之外，还可以通过对无机填料进行改性处理的方式，有针对性地提高防护涂层的性能，例如耐磨性、超疏水特性等，以此提升耐磨涂层的应用效果。相信，对着对耐磨材料的深入研究，涂层防护技术将会得到更好的发展，防护涂层也将会得到更为广泛的应用。