固体润滑材料的研究现状及展望外文翻译资料

 2022-08-31 17:05:11

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固体润滑材料的研究现状及展望

近年来，在广泛的工业应用中，固体润滑涂层的配方已经取得了很大的进步。在非常苛刻的滑动条件下，这些涂层现在可以以纳米结构或复合材料的形式提供更好的性能和耐久性。研究人员发现，通过耦合固体润滑涂层的智能表面工程（如微纹理或图案），可改进润滑涂层的性能并提高润滑涂层的耐久性。先进的润滑涂层能满足现在市面上各种苛刻的摩擦学环境中的性能及耐久性要求。本文将回顾固体润滑涂层的发展历史及最新研究成果，并拓展传统的固体润滑油的润滑机理。并强调现代固体润滑涂层的研究旨在提高这些涂料的性能，并扩大其在实际应用中的用途。

关键词：固体润滑剂，纳米复合材料，纳米结构，沉积，表面纹理，摩擦，磨损

  1. 简介

固体润滑涂层主要是在传统的材料和润滑油不能提供所需性能或耐久性条件下控制摩擦和磨损（如高真空，航空航天，高速环境，高负载，和极低/高温）。在过去的二十年中，在固体润滑膜的设计、开发和应用方面取得了显著的进展。目前现代摩擦学的趋势是尽可能多的限制或减少液体润滑剂的使用（出于环保的角度），改变固体材料和涂料，使其具有自润滑性能。然而，在短期内，最好的解决办法是考虑固体和液体润滑油的组合，以满足未来的摩擦学系统的排放或环境的要求，同时提供所需的摩擦水平和磨损性能。

近几年固体润滑涂层研究有了很大的进展，研究人员现在能够在一定的测试条件下提供非常低的摩擦和磨损系数。然而，尽管在过去的十五年中固体润滑膜取得了相当大的进展，但仍有不足之处，如图1所示。目前，没有一个单一的涂层可以在非常广泛的使用条件、温度和环境下提供低摩擦和高耐磨性。此外，固体润滑涂层具有有限的寿命，在补充、氧化和老化相关的讲解方面存在困难（在某些层状固体润滑剂中，如MOS 2）。固体润滑涂层的综合发展可参考文献[ 1 ]。在本论文中，重点是固体润滑剂涂层的研究生现状和未来的发展趋势。我们的研究不会是如此详尽或包容，以涵盖这类涂料的各个方面，但主要目标是给迄今为止已经完成的或者正在该领域进行的研究一个一般定义。

  1. 固体润滑剂的定义和分类

一般地，某些固体材料具有低的剪切强度，当施加在滑动表面上时，它们可以降低摩擦和磨损。这些材料被称为“固体润滑剂”。 按材料的物理，化学，结构和力学性能可以分为几个子类别。为了简单起见，我们将分为两大类：软（硬度小于10 GPa）和硬（硬度超过10 GPa）[1- 3 ]固体润滑剂。图2列出了每个类别的固体润滑剂。硬固体润滑剂表现出较高的耐磨损性，除了较低的摩擦时，较软的润滑油，可以提供低摩擦，但不总是高耐磨性。坚硬的固体润滑涂层包括一些碳基涂层（如金刚石和DLC）和某些氧化物。软固体润滑涂层包括聚合物、软金属、碱土金属的卤化物和硫酸盐，和常见的片状固体，包括过渡金属硫化物，石墨，和硼酸。大多数这些自润滑材料近年来得到了广泛的研究，其中一些已经进一步优化使其具备了更好的润滑性，在特定条件下或在高温环境中（见[ 1，–6 ]的结论）使用。氧化物基材料通常很难在室温下剪切，但是他们中的一些高度均匀,因此可以在较高的温度下提供相当低的摩擦系数。，这些氧化物通常被称为“不稳定氧化物”。 最近，埃尔德米尔提出了晶体化学模型来对这些氧化物的润滑性能和操作限制进行分类[ 7 ]。优化这些和其他固体润滑剂的努力仍在进行中。然而，在基本理解和建模方法的基础上，在能够满足未来摩擦学系统日益严格的操作条件的新型固体润滑剂的配方已经取得了很大的进步。例如，铯基氧化物被称是非常有前途的高温下的硅基陶瓷组分。在600℃下，CS2O润滑脂和 Si3N4陶瓷[ 8 ]摩擦系数为0.02-0.1。在高温滑动中，混合氧化物层组成的CS2和SiO 2被认为是负责低摩擦。新配方和独特的涂层结构（纳米复合材料，合金/掺杂，超晶格，梯度等）已被用于生产各种薄膜结构，以制备更好的性能和耐久性的固体润滑膜。然而，这些发展并没有防止出现新的“孤立”的结构或原始概念的固体润滑。让我们先把注意力集中在单和多组分固体润滑膜的进化上，然后再研究其他相关产品和工艺的进展。

  1. 固体润滑涂层的研究进展

固体润滑涂层的历史发展中的一些重大里程碑，以图形方式概括在图3。

3．1 第一代：单组分涂层

近年来，对固体润滑涂层的微观结构和化学成分进行了大量的研究工作。尽管有这些努力，只有少数的多组分和主要的简单结构的薄膜用于生产实践中。与大多数商业PVD和CVD系统相比，生产单层涂层更实际并具有效益，因为生产过程通常只含一个或两个阶段。商业上成功的固体润滑涂层通过这些方法生产，包括MoS 2单层，WS 2涂料（或加入一些合金元素，如钛、镍、金、铅、锑）；金刚石和类金刚石薄膜（或加入一些H、N、B、Si、Ti、W等。），软金属，和一些聚合物。为了增加他们的寿命，涂料中有一个粘合层是必要的。过渡金属硫化物（如MOS 2和WS 2）和其他层状固体（如石墨、六方氮化硼、硼酸）拥有其润滑性主要是他们的层状晶体结构。不同的层状固体润滑机制不完全相同；环境的因素（水蒸气、氧气等）在其润滑性好坏方面起着重要的作用。例如，水蒸气能降低石墨的摩擦但会迅速抑制MoS2润滑性能。MoS2被广泛用于真空润滑，并已积累了大量的摩擦学数据，建立了在惰性气体或真空环境中的固体状态下的完善的润滑机理知识 [8,9]。Ti、Ni、Au等合金元素的添加可以降低MoS 2的环境敏感性，但使用这种办法改善其润滑性能尚未达到预期效果。

近年来，碳基固体润滑膜的研究受到重视，如类金刚石碳。这些薄膜是由sp2 -和sp3杂化的碳原子和可能包含的氢（在lt;1和asymp;50at.%之间）制作的，这些不仅会影响结构还会影响性能。所有其他固体润滑剂中，DLC薄膜在摩擦和磨损系数中存在广泛变化。一些DLC薄膜在惰性气体或真空环境中表现出摩擦系数低于0.01，而在其他的环境中为0.6或更多的摩擦系数。对DLC薄膜的摩擦学行为相关的具体资料可以在文献中发现。[8,13]。

金刚石是另外一种非常坚硬的低摩擦材料，它有很多优异的性能，如高的机械强度和化学稳定性。目前，几种化学气相沉积技术能制备一种有某些陶瓷或金属基质的金刚石坚硬薄膜。由化学气相沉积制得的高质量金刚石薄膜，其所需的力学性能和摩擦磨损性能最为理想。近年来，沉积微波CVD法可在无氢的条件下制备具有优良摩擦磨损性能的纳米金刚石（NCD）。通过对粗金刚石薄膜的抛光，可以实现非常低的摩擦[ 15 ]。

各种形式的聚合物在摩擦学中的应用很广泛。它们重量轻，相对便宜，易于制造。他们可以很容易地与其他固体自润滑复合材料结构混合使用。某些聚合物[聚四氟乙烯、聚酰亚胺、尼龙、超高分子量聚乙烯（UHMWPE），等等]，在以成块或薄膜形式、或作为其他固体润滑的粘合剂使用时，本质上是自润滑使用，除非他们有自润滑填料[ 17 ]，他们一般不能用于温度高于250度。

一种最受欢迎的聚合物超高分子量聚乙烯被广泛应用于人工关节置换术，即使非常困难，其耐磨性必须以提高假体[ 13、18 ]的磨损寿命。在全关节置换，关节液主要是提供润滑，而超高分子量聚乙烯磨损颗粒的形成是很不利的。这种粒子的迁移接触可能最终会导致严重的炎症反应。从长远来看，他们也可以触发骨松动，这是一个严重的问题。

软金属润滑油具有多个滑动面晶体结构，在滑动接触过程中没有明显硬化。在位错和点缺陷产生的剪切变形过程中滑动接触产生的摩擦热迅速被抵消，据称软金属的摩擦系数范围是0.1到0.4，这主要取决于金属的类型和实验条件 [ 1 ]。膜基结合是实现软金属长的耐磨寿命和耐久性极为关键的步骤，特别是对陶瓷摩擦材料的表面。

其他固体润滑剂包括含硼材料：六方氮化硼，硼酸，可以通过反应B 2 O 3和水之间的摩擦过程中形成的，如在文献[ 1 ]的讨论。Cs或Zn和一些其他的碱金属的氧基硫代钼酸根，某些复杂的氧化物和氧化物氟化物[1,7]，硫酸基涂层（CaSO 4，BaSO 4和SrSO 4）[ 19 ]被证明在升高的温度下（300–600℃）是有润滑性能的。与使用“单组分”的涂层结构相比，在这种情况下，一些复杂的材料可以实现低摩擦和耐磨性高，因为更复杂的（如多层超晶格）可以在操作过程中将改变由摩擦和高温相结合。

3.2第二代：双组分涂层

现代多功能涂料具有混合、双工或多重涂层架构，如马休斯等人的广泛说明。（见参考文献[ 20 ]）。这种架构背后的主要原因是不仅提高磨损，也提高涂层系统的其他特定性能。一个简单的例子是一个化学涂层的表面上沉积，然后在顶部形成硬涂层。中间层可以增加韧性和耐腐蚀和氧化，而顶层可以提供低摩擦和磨损[ 21 - 22 ]。如果开始衬底材料是非常软的，使用的中间层具有较高的硬度和韧性可能是必要的。这样的层可以从相对坚硬的材料中选择，可以更有效地应用于实际中的顶部层 [ 23，24 ]。以类似的方式，即所谓的双相处理过程涉及现有的热扩散处理（如渗氮）后跟一个顶级的PVD涂层（如锡）进行序列相同的沉积。这样的双面表面层是有效的延长的耐磨寿命处理组件。同样的方法可用于生产具有三层或更多层的涂层。这样的复合涂层体系结构可以在实际应用中有更多的附加功能。例如，某些层可以提供高抗腐蚀和氧化，而其他的一些可能会提供优良的摩擦和磨损性能，还有一些可能会增加涂层系统的电/热传导率。这样的复合涂层体系结构在实现和保持广泛应用条件下的平滑操作可能是非常有用的。

大多数真空沉积技术如PVD、CVD和IBAD能够生产出上面所提到的复杂或多组分涂料系统。这些技术在提高硬质耐磨涂层的耐磨性方面已有很大的进步，如过渡金属碳化物、氮化物、硼化物。例如，Knotek等[ 25 ]表明，随着Ti-Al–V（C，N）成分的优化、刀具磨损寿命可显著改善。对于多组分涂层，[ 26至32 ]可供更多信息参考，其中有几个很好的结论。

作为硬涂层系统，多组分润滑涂层也是由两个或两个以上的涂层，颗粒或纤维组成的。多层涂层包括两个或更多的材料的周期性重复的结构或薄片，厚度可达几十微米（如果每个薄片的厚度是在纳米范围内，这些薄膜通常被归类为超晶格，如在第3.3节中讨论）。一般情况下，多层固体润滑剂涂层区分的夹心层，其中包括几个叠加的薄膜具有互补的机械/摩擦学性能。这第二代一般fabri392 C.多尼，A.埃尔德米尔/固体润滑涂层：最近的发展和未来的趋势相结合，一个复杂的固体润滑剂3.1节中描述的另一个软或硬层。例如，一个由锡和薄的MOS 2薄膜复合涂层系统被证明具有优异的摩擦学性能，特别是在金属切削和成形操作相比，锡或MOS 2单。在这样的多组分涂料的不同结构的细节可以在文献中发现。【2.33社会]。结合几个结构和组合物在一个涂层中的其他优点包括实现各种个人的物理性质（即，扩散阻挡 低摩擦），减少的不匹配的机械和化学性质之间的基板和涂层（主要是为了提高附着力），控制的残余应变，因此应力在涂层，防止裂纹形成的严重的操作条件下，和增强的硬度和/或韧性，通过允许它们在负载偏转时，在每个其他当他们在负载转移。真空技术的多功能性（见第4节）和复用/混合过程的出现导致了这二代涂料的相当大的进步，最近发现，在运输和制造行业的主要工业应用。多组分涂层和多层极好的最新概况可在文献[ 26 ]发现。

3.3第三代：梯度，超晶格和纳米结构涂层

纳米级涂层的结构和组成是一个令人振奋的新的科学发展。尽管有许多挑战，但它现在是其代表领域中最热门的研究课题之一。控制涂料的结构和成分主要有三种方法。首先涉及到生产的功能梯度涂层的体系结构，从上面讨论的多层涂层来看，这是一个合乎逻辑的进展。在过去，对硬质涂层的组成分级（如TiAlN）用柔软的固体润滑膜（如MOS 2）已通过控制物理参数[ 34 ]成功实现。MOS 2量一直在体积向端使顶层是埃森主要由MOS 2增加（摩擦控制）而靠近基底层的TiAlN（磨损控制）。分级的摩擦学涂层组成的其他好处是，它们还可以提高附着力和修改力学中的滑动。在DLC涂层的情况下，粘结层采用的是分级的方式提高膜基附着力。这样的改进已得到Ti和TiC（H）分级和提高DLC膜的耐磨性35,36 ] [。其他纳米结构的涂层包括纳米薄膜（在纳米范围内的晶粒尺寸）和纳米复合薄膜，作为一个逻辑进展的多组分薄膜向纳米级。纳米复合材料包括结构与结晶的非晶相结合，广泛受到韦普热克[ 37 ]在超硬耐磨涂层的情况下，zabinski等人[ 38 ]在固体润滑膜的情况。

在固体润滑结构的另一个主要的发展涉及纳米超晶格薄膜的生产，基本上是上述多层概念的产物。各个层的厚度在1到50纳米。这些结构的主要功能是提高硬度、断裂韧性和涂料的附着力，从而提高其力学性能和摩擦磨损性能。近年来，文学和新一代的原子理论的理解特别是大幅增长，对于组分调制的超晶格薄膜[ 39 ]和纳米晶[ 37 ]和[ 40 ]涂层复合材料。在宏观尺度上，这一代的涂料相关的概念已经导致硬度（H）最大化，同时确保足够低的弹性模量（E），以提供一个合适的elastic染色失败”，由H / E比率[ 41 ]确定。在纳米尺度下的机构对应一个高抗稳定的位错的产生和运动。这种效果是通过减小晶粒尺寸，根据著名的Hall-Petch关系，或通过控制接口之间的纳米晶的存在（NC）金属氮化物/金属系统[ 42 ]，或在非晶和纳米晶的阶段（一）与nc-m a-Si 3 N 4 N /（M为Ti，W，V，或其他过渡金属）[ 37 ]。延长纳米涂料的使用最近的努力已经在很大程度上致力于提高其高温稳定性主要避免相变、晶粒生长、

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