粘结固体润滑涂层的研究及其应用

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粘结固体润滑涂层的研究及其应用
摘要：粘结固体润滑涂层是固体润滑材料的主要类型之一，在航空航天等军工高技术领域和民用工业领域获得了广泛的应用。本文介绍了几种主要类型的粘结固体润滑涂层及其性能特点；概述了在粘结固体润滑涂层基础和应用研究方面的最新进展；结合典型应用事例，评述了粘结固体润滑涂层在解决特殊工况条件下机械的磨损、润滑、粘着冷焊等摩擦学问题中所发挥的重要作用；最后列表介绍了中科院兰州化物所近年来研制的几种粘结固体润滑涂层材料。
" x3 C; k* W% R! n0 C　　1引言
　　近30年来，摩擦学研究的重大进展之一就是其研究重点从传统的流体动力润滑与润滑系统向摩擦学材料科学与技术(包括表面工程)的转变⑴。作为这一转变的重要标志之一的新型固体润滑材料与技术不仅在航空航天等军工高技术领域解决了一系列特殊工况条件下的润滑难题，而且在民用工业领域的应用也在迅速扩展。
　　粘结固体润滑涂层是固体润滑材料的主要类型之一，这是一种将固体润滑剂分散于有机或无机粘结剂体系中，再用类似于油漆的涂装工艺在摩擦部件表面上成膜以降低其摩擦与磨损的一种新型润滑技术。在西方发达国家，自1946年美国NASA研制出第一种含MoS2的有机粘结固体润滑涂层以后，因其性能独特，有关这一类材料的研究和应用均得到了迅速的发展。有关国家不仅制定了相关的技术标准，而且创建了多个专门从事这一类材料研究和开发生产的实体，截止目前，仅实现商品化生产的就有上百个品种，其应用已遍布从高技术的航空航天到日常生活的各个方面。
! x1 I4 B- I, v0 I　　国内粘结固体润滑涂层研究的起步并不算晚，60年代初以来，结合国防军工高技术产业的发展要求，先后研制了几十个品种的粘结固体润滑涂层材料，解决了一大批航空航天等重点军工型号建设中的重大润滑难题。尤其是近年来，针对高温、真空、高负载、强辐射等极端苛刻工况条件下的使用要求，在系统开展粘结固体润滑涂层应用基础研究的基础上，研制出了多种具有特殊性能并具有良好综合性能的先进粘结固体润滑涂层材料，其中有些品种达到了美国军标的要求，使我国的粘结固体润滑涂层材料的研究达到了国际同类材料的先进水平，为国防现代化做出了重要的贡献；另一方面，在民用工业领域，自八十年代以来，随着引进技术的不断增多，带来了大量的粘结固体润滑涂层的应用技术，国产粘结固体润滑涂层亦以此为契机，开始获得了广泛的应用，并取得了显著的经济和社会效益。本文在系统概述各种类型粘结固体润滑涂层性能特点的基础上，重点评述了近年来中科院兰州化学物理研究所在粘结固体润滑涂层的基础和应用研究方面的最新进展，介绍了粘结固体润滑涂层在军用和民用工业领域的典型应用，目的是要推动我国粘结固体润滑涂层之研究和应用的更快发展。
　　2粘结固体润滑涂层的主要类型及性能特点

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　　粘结固体润滑涂层种类繁多，但其基本组分由图1所示四部分组成，各组分的基本物理化学性质和组分间的相互作用(相容匹配特性、协同作用等)对涂层性能有着决定性的重要影响。通常根据粘结固体润滑涂层的固化特性、性能特点、固体润滑剂种类、粘结剂类型等对其进行分类，图2给出了各种分类方法，这些分类方法都是实际应用中所经常采用的，但都有一定的局限性，如前二种分类方法没有反应涂层的材质特性，后二种分类方法又不能全面反应涂层的工艺和性能特点。下面按粘结剂类型分类法分别介绍有机和无机粘结固体润滑涂层，同时对粘结固体润滑涂层的性能特点做一简要说明。

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　　2.1有机粘结固体润滑涂层
　　有机粘结固体润滑涂层是利用有机树脂对底材表面优良的粘结能力而把分散于树脂体系中的固体润滑剂粘结到摩擦部件的表面上，通常还需要加入分散剂和抗氧化剂等多种添加剂。常用的有机树脂包括醇酸树脂、聚氨酯、聚丙烯酸酯、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂及其改性产品、芳香族杂环聚合物及其它热塑性树脂等。为了便于涂膜施工，有机粘结固体润滑涂层喷剂中一般还需要加入有机溶剂或水作为稀释剂，但近年来人们又成功地开发出了无溶剂型和粉末喷涂的有机粘结固体润滑涂层，其应用效果也同样很好。
　　有机粘结固体润滑涂层是目前品种最多、应用面最广的一类粘结固体润滑涂层，其品种和用量都占整个粘结固体润滑涂层的80%以上，通过不同固体润滑剂与树脂粘结剂体系的组合，可以制备出具有不同性能特点的粘结固体润滑涂层。固体润滑剂的种类、固体润滑剂与有机粘结剂的用量之比、涂层的内聚力与涂层同底材的附着力之比等都是影响有机粘结固体润滑涂层性能的重要因素。含MoS2、石墨等层状固体润滑剂的有机粘结固体润滑涂层具有优异的耐负荷性能，适合于中低速高负荷条件下使用，而含PTFE等低摩擦聚合物的有机粘结固体润滑涂层则具有较长的耐磨寿命，适合于中速低负荷条件下使用，从目前情况来看，要使某一种粘结固体润滑涂层同时具备各种性能是不现实的。因此，在实际使用中，应当根据具体工作条件和要求，针对性地选择具有相应性能特点的粘结固体润滑涂层。
) t9 p! R; R) W: F0 W0 v7 n9 u! ?　　由于可以作为涂层粘结组分的有机树脂粘结剂的种类很多，而且新的品种还在不断地涌现，这为我们设计新的有机粘结固体润滑涂层提供了有利条件。此外，还可以针对具体要求，进行专门的高分子设计，合成具有特定性能的粘结剂以满足特殊工况条件下的使用要求。有机粘结固体润滑涂层的最大缺陷是其作为粘结组分的有机树脂大多耐温性有限，难以满足更高温度的使用要求，即使是耐高温型的有机树脂，其最高使用温度一般也不超过400℃，而且还存在着真空出气率高、大气老化和低温脆性等问题，大多数品种不能在液氧环境中使用等。
　　2.2无机粘结固体润滑涂层
" }6 F% ]! O% d1 A2 p( I　　无机粘结固体润滑涂层是指以硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等无机盐以及陶瓷、金属等作为粘结组分的粘结固体润滑涂层。与有机粘结固体润滑涂层相比，其突出的优点是使用温度范围宽、真空出气率低、与液氧的相容性好等，但却存在着脆性大、耐负荷性差、摩擦学性能不及有机粘结固体润滑涂层等缺点。因此，截止目前大多数无机粘结固体润滑涂层还只局限于在特殊工况条件下(如液氧环境、特殊高温、忌有机蒸气污染的卫星机械等)使用。

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粘结固体润滑涂层的研究及其应用
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底材表面预处理是影响粘结固体润滑涂层摩擦学性能的重要因素，应当根据不同底材选择相应的处理工艺。对于非金属底材，通常采用的是脱脂或喷砂处理的工艺，也有采用化学预处理的；对于金属材料，除了一般采用的除锈和脱脂工艺外，针对不同的金属还可以进一步采用阳极氧化、化学氧化、电镀、氮化、喷砂、硫化或磷化等。
　　脱脂是表面预处理工艺中较为重要的一环，其处理的好坏直接关系到涂层对底材的粘结及其它预处理步骤的效果。通常采用的脱脂方法有碱洗、酸洗、溶剂清洗、乳液清洗和电解脱脂等，可以根据具体情况选择其中的一到两种方法，以洗净为原则。
　　对于同种金属底材，不同的预处理工艺对粘结固体润滑涂层的摩擦学性能具有不同的影响，日本的伊藤晁逸进行过这一方面的详细考察⑵，图7所示为经过3种不同工艺表面处理之后粘结固体润滑涂层的耐磨寿命，显然，喷砂＋磷化处理的效果最好，喷砂处理的次之，而以研磨处理的最差；对于同一种预处理工艺，处理表面的粗糙度亦有重要影响，经验表明，在进行喷砂处理时，对于硬质底材，应当采用粒径为76μm以下的细砂，而对于软质底材，则以采用粒径约为150μm之粗砂处理的效果更好；对于磷化处理，不同的磷化系列，以及同一系列中不同的结晶尺寸都对粘结固体润滑涂层的摩擦学性能有重要影响，如对于45号钢底材，采用磷酸锰细晶处理比用粗晶处理的耐磨寿命几乎提高一倍，柱状细结晶的锰系磷化处理对提高粘结固体润滑膜之耐磨性能的效果最好。
　　3.3粘结固体润滑涂层配方的计算机辅助设计

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　　在粘结固体润滑涂层的研制中，最基础的工作是配方的设计和选择，它包括：根据使用工况和性能要求选定粘结剂和润滑剂的类型及相互之间的配比；根据各种组分之间的相互作用和协同效应规律确定采用何种复合润滑剂方案及与此相适应的填料；根据树脂的溶解特性及涂敷工艺要求确定混合溶剂配方等。采用人工试验筛选的方法确定配方，需要进行大量的组合设计和选择,试验工作量极大。为此,我们根据近年来有关固体润滑涂层基础研究和应用研究的成果，把上述各种因素及其对涂层性能的影响总结成若干个数学模型，如固体润滑剂粒子的油吸附理论及粒子在有机树脂粘结剂中的紧密填充模型(图8)、混合溶剂选择的溶解度参数原则和挥发速度均衡适中原则等，然后通过计算机辅助设计得出涂层的最佳计算配方，最后对计算配方进行试验调整，确定出最佳涂层配方。对环氧和酚醛树脂基粘结固体润滑涂层的研究结果表明，计算机辅助设计配方与试验确定的最佳配方十分接近，而且可以显著缩短配方研制周期，节省大量的人力和物力，显示了重要的推广价值。
　　4粘结固体润滑涂层的应用
$ j( v5 ]' `! d$ b( ]+ D+ B1 Z　　随着科学技术的发展，粘结固体润滑涂层在现代工业中获得了广泛的应用并取得了巨大的经济和社会效益。粘结固体润滑涂层的成功应用是与其独特的性能分不开的，下面按使用工况分类分别阐述粘结固体润滑涂层的主要应用。