固體自潤滑材料

固體潤滑材料是指利用固體粉末、薄膜或某些整體材料來減少兩承載表面間的摩擦磨損作用。在固體潤滑過程中，固體潤滑材料和周圍介質要與摩擦表面發生物理、化學反應生成固體潤滑膜，降低磨擦磨損。

基本介紹

• 中文名：固體自潤滑材料
• 外文名：solid self lubricant material
• 基本性能：與摩擦表面能牢固地附著
• 使用方法：通過物理方法
• 常用固體：二硫化鉬

基本性能

1)與摩擦表面能牢固地附著，有保護表面功能固體潤滑劑應具有良好的成膜能力，能與摩擦表面形成牢固的化學吸附膜或物理吸附膜，在表面附著，防止相對運動表面之間產生嚴重的熔焊或金屬的相互轉移。

2)抗剪強度較低固體潤滑劑具有較低的抗剪強度，這樣才能使摩擦副的摩擦係數小，功率損耗低，溫度上升小。而且其抗剪強度應在寬溫度範圍內不發生變化，使其套用領域較廣。

3)穩定性好，包括物理熱穩定，化學熱穩定和時效穩定，不產生腐蝕及其他有害的作用物理熱穩定是指在沒有活性物質參與下，溫度改變不會引起相變或晶格的各種變化，因此不致於引起抗剪強度的變化，導致固體的摩擦性能改變。

化學熱穩定是指在各種活性介質中溫度的變化不會引起強烈的化學反應。要求固體潤滑劑物理和化學熱穩定，是考慮到高溫、超低溫以及在化學介質中使用時性能不會發生太大變化，而時效穩定是指要求固體潤滑劑長期放置不變質，以便長期使用。此外還要求它對軸承和有關部件無腐蝕性、對人畜無毒害，不污染環境等。

4)要求固體潤滑劑有較高的承載能力因為固體潤滑劑往往套用於嚴酷工況與環境條件如低速高負荷下使用，所以要求它具有較高的承載能力，又要容易剪下。

使用方法

1)作成整體零件使用某些工程塑膠如聚四氟乙烯、聚縮醛、聚甲醛、聚碳酸脂、聚醯胺、聚碸、聚醯亞胺、氯化聚醚、聚苯硫醚和聚對苯二甲酸酯等的摩擦係數較低，成形加工性和化學穩定性好，電絕緣性優良，抗衝擊能力強，可以製成整體零部件，若採用環璃纖維、金屬纖維、石墨纖維、硼纖維等對這些塑膠增強，綜合性能更好，使用得較多的有齒輪、軸承、導軌、凸輪、滾動軸承保持架等。

2)作成各種覆蓋膜來使用將固體潤滑劑施加到摩擦界面或表面，使之成為具有一定自潤滑性能的乾膜，這是較常用的方法之一。成膜的方法很多，各種固體潤滑劑可通過濺射、電泳沉積、等離子噴鍍、離子鍍、電鍍、粘結劑粘結、化學生成、擠壓、浸漬、滾塗等方法來成膜。

3)製成複合或組合材料使用所謂複合（組合）材料，是指由兩種或兩種以上的材料組合或複合起來使用的材料系統。這些材料的物理、化學性質以及形狀都是不同的，而且是互不可溶的。組合或複合的最終目的是要獲得種性能更優越的新材料，一般都稱為複合材料。

4)作為固體潤滑粉末使用將固體潤滑粉末（如MoS2）以適量添加到潤滑油或潤滑脂中，可提高潤滑油脂的承載能力及改善邊辦潤滑狀態等，如MoS2油劑、MoS2油膏、MoS2潤滑脂及MoS2水劑等。

作用及性能

1)二硫化鉬

(1)低摩擦特性。
(2)高承載能力。
(3)良好的熱穩定性
(4)強的化學穩定性
(5)抗輻照性
(6)耐高真空性能

2)石墨

石墨在摩擦狀態下，能沿著晶體層間滑移，並沿著摩擦方向定向。石墨與鋼、鉻和橡膠等的表面有良好的粘附能力，因此，在一般條件下，石墨是一種優良的潤滑劑。但是，當吸附膜解吸後，石墨的摩擦磨損性能會變壞。所以，一般傾向於在氧化的鋼或銅的表面上以石墨作潤滑劑。

3)氟化石墨

與石墨或二硫化鉬相比，它的耐磨性好，這是由於氟碳鍵的結合能較強所致。層與層之間的距離比石墨大得多，因此更容易在層間發生剪下。由於氟的引入，使它在高溫、高速、高負荷條件下的性能優於石墨或二硫化鉬，改善了石墨在沒有水氣條件下的潤滑性能。

4)氮化硼

氮化硼是一種新型陶瓷材料，高溫、高壓下可燒結而成。氮化硼的密度為2．27g/cm3，熔點為3100～3300℃；莫氏硬度為2；在空氣中摩擦係數為0．2，而在真空中為0．3；在空氣中熱安定性為700°C，而在真空中為1587°C．它耐腐蝕，電絕緣性很好，比電阻大於10-6Ω．cm；壓縮強度為170MPa；在c軸方向上的熱膨脹係數為41×10-6/℃而在d軸方向上為－2．3×10-6；在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃，而在非活性還原氣氛下可達2800℃，但在常溫下潤滑性能較差，故常與氟化石墨、石墨與二硫化鉬混合用作高溫潤滑劑，將氮化硼粉末分散在油中或水中可以作為拉絲或壓製成形的潤滑劑，也可用作高溫爐滑動零件的潤滑劑，氮化硼的燒結體可用作具有自潤滑性能的軸承、滑動零件的材料。

5)氮化矽

氮化矽屬於六方晶系，是一種陶瓷材料，不具備石墨那樣的層狀構造，也沒有氧化鉛那樣的塑性流動性，由於粒子硬度高，所以在粉末狀態不具有潤滑性。但其成形體表面經過適當精加工，由於與其接觸的微凸體點數減少可呈現出低摩擦係數。據研究結果稱，表面精加工至0．05～0．025μm時，摩擦係數可達0．01．氮化矽的而磨性因環境氣氛、負荷、速度等條件及表面粗糙度不同而變化。在乾摩擦條件下耐磨性良好。

6)聚四氟乙烯

聚四氟乙烯有很好的化學安定性和熱穩定性。在高溫下與濃酸、濃鹼、強氧化劑均不發生反應，即使在王水中煮沸，其重量及性能都沒有變化。

而且它在很寬的溫度範圍和幾乎所有的環境氣氛下，都能保持良好化學安定性、熱穩定性以及潤滑性。

聚四氟乙烯具有各向異性的特性，在滑動摩擦條件下，也能發生良好的定向。它的摩擦係數比石墨、MoS2都低。一般聚四氟乙烯對鋼的摩擦係數常引用為0．04，在高負荷條件下，摩擦係數會降低到0．016。

7)尼龍

尼龍的摩擦係數隨負荷的增加而降低，在高負荷條件下，摩擦係數可以降至0．1～0．15左右；在摩擦表面存在有油或水時，摩擦係數有更大的下降趨勢。尼龍的摩擦係數還隨著速度的增加或表面溫度的升高而下降。

尼龍的耐磨損性好，特別是在有大量塵土、泥砂的環境中，它所表現出來的耐磨損性是其他塑膠無法與之相比的。在摩擦表面上有泥砂、塵土或其他硬質類材料存在時，尼龍的耐磨性比軸承鋼、鑄鐵甚至比經淬火表面鍍鉻的碳鋼還要好。

在套用尼龍材料時，要特別注意選擇與其相互對摩的材料。在摩擦界面有硬質微粒存在時，尼龍的耐磨損性是一般鋼材不能與之相比的。如用尼龍軸瓦代替表銅軸瓦時，被磨損的是軸，軸是不易更換零件，它被磨損後會帶來嚴重後果。

尼龍的缺點是：吸潮性強、吸水性大、尺寸穩定性差，這在鑄型尼龍表現得更為突出。尼龍的熱傳導係數小，熱膨脹係數大，加之摩擦係數也不算低，因此最好用於有油至少是少油潤滑和有特殊冷卻裝置的條件下。

8)聚甲醛

聚甲醛是一種不透明乳白色的結晶性線型聚合物，具有良好的綜合性和差色性的高熔點、高結晶性的熱塑性工程塑膠，是塑膠中力學性能與金屬較為接近的品種之一，它的尺寸穩定性好，耐水、耐衝擊、耐油、耐化學藥品及耐磨性等都非常優良。它的摩擦係數和磨耗量較低，適用於長期經受摩擦滑動的部件，如工具機導軌。在運動部件中使用時不需使用潤滑劑，具有優良的自潤滑作用。

9)聚醯亞胺

均苯型聚醯亞胺的長期使用溫度為260°C，具有優良的耐摩擦、耐磨損性能和尺寸穩定性。它具有優良的耐油和耐有機溶劑性，能耐一般的酸，但在濃硫酸和發煙硝酸等強氧化劑作用下會發生氧化降解，在高溫下仍具有優良的介電性能。但它不耐鹼，成本也較高。它在惰性介質中，在高負荷和高速下的磨損量極小。

10)聚對羥基苯甲酸酯

聚對羥基苯甲酸酯是全芳香族的聚酯樹脂。分子結構是直鏈狀的線性分子，但結晶度很高（大於90%），使它難以熔融流動，因而具有熱固性樹脂的成型特性。它與金屬的性能接近，是目前塑膠中熱導率和空氣中的熱穩定性最高的品種，在高溫下還呈現與金屬相似的非粘性流動。它是一種摩擦係數極低的自潤滑材料，摩擦係數可達到0.005，甚至比用潤滑油、脂潤滑時的還低。它可作為耐腐蝕泵、超音速飛機外殼鈦合金的塗層材料。但其熱塑成型較為因難，需用高速高能鍛成型，或是採用等離子噴塗及一般金屬加工方法加工。

11)軟金屬

金、銀、錫、鉛、鎂、銦等軟金屬可作為固體潤滑劑使用。軟金屬可以單獨或是和其他潤滑劑一起使用。

其套用方法有二種，一是以薄膜的形式套用，既將鉛、鋅、錫等低熔點軟金屬、合金作為乾膜那樣使用，銅和青銅等雖然並非低熔點，有時也可這樣使用。

另一種使用方法是將軟金屬添加到合金或粉末合金中作為潤滑成分以利用其潤滑效果，如一般的白色合金（軸承合金）、油膜軸承合金（Kelmet）等就含有鉛、銻、鋅、錫、銦等軟金屬，又如燒結合金摩擦材料與電刷材料集流環和觸點等也可使用含軟金屬如銀、金等成分。

軟金屬的摩擦係數較大，但與潤滑油並用時，可降低其摩擦係數及磨損，膜厚對軟金屬的潤滑影響較大，如煙膜厚度小於0.1m時，則潤滑膜易於破環，厚於0．01mm時則摩擦係數增大，故應有適當的厚度。

研究趨勢

隨著科學技術的發展,無環境污染、耐磨壽命長、低摩擦、自修復的固體潤滑材料在電子、生物、通訊、航天及航空等高科技領域套用的越來越廣泛。固體自潤滑材料作為潤滑領域最具有前景的發展方向,備受世人關注,未來的研究主要集中在自潤滑材料的理論研究、新型固體自潤滑材料的研究、新型的自潤滑方式的研究、新的材料結構設計等幾個方面。

自潤滑材料理論研究

(1)實現材料機械性能與自潤滑性能的統一。

(2)在較寬的溫度範圍內實現自潤滑性能。

(3)研究材料在高溫摩擦過程中物理、化學變化,如氧化和相變、潤滑層的晶面取向、與磨損表面的化學作用,潤滑膜的性質(厚度、覆蓋程度)及形成、轉移、破裂再生等機制以及高溫摩擦磨損機制、模型建立和完善。

(4)納米尺度的包覆、修飾等技術與高溫自潤滑技術的結合。

新型固體自潤滑材料的研究

(1)拓展自潤滑材料的範圍,如稀土氟化物作為金屬材料的固體潤滑劑等,不斷開發具有自潤滑功能的耐高溫新陶瓷材料等。

(2)多種材料的複合。由於受單一材料本身的限制,要滿足多種苛刻條件,必須通過材料的複合才能滿足多元的要求,因此材料的複合在未來固體潤滑材料的研究之中仍然是十分重要的手段。

新的材料結構設計

(1)纖維基固體潤滑材料。纖維具有高強度和高彈性模量,燒結後的纖維基體有點的連線和線的連線,形成牢固的多孔骨架,並有良好的蜂窩結構,利於固體潤滑劑的浸漬、貯存和有效輸送。因此與以粉末為基體的自潤滑材料相比,金屬、陶瓷纖維基體自潤滑材料具有更好的力學性能(抗拉強度和衝擊韌性)、自潤滑性能和摩擦磨損特性。

(2)梯度自潤滑材料:金屬基、陶瓷基自潤滑材料可通過調節孔隙度來改變固體潤滑劑的儲存,從而使材料的承載能力和潤滑性能達到最佳狀態,因此表層孔隙度高、基體孔隙度低的梯度自潤滑材料也是未來重要的研究方向之一。

(3)在固體表面形成具有多種抗性和潤滑效果的多組分複合膜、多層膜。