[发明专利]一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层，是将二维纳米片与纳米颗粒通过简单的球磨预处理工艺，主动控制形成纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构，进一步将纳米卷润滑相组分与粘结剂复合制备成固体粘结涂层，利用纳米卷结构在摩擦界面的微球滚动效应，实现了超润滑特性。与常用的钢材料配副摩擦系数降低到0.01以下，较常规固体润滑材料0.1左右的摩擦系数低1‑2个数量级。本发明的优点是制备方法简单易行，材料体系简单，适用于工程化零件和运行条件下推广应用。同时本发明获得的特殊纳米卷曲结构的复合润滑剂组分还可以作为新型润滑添加剂加入到润滑油中发挥显著的减摩效果。

技术领域

本发明涉及一种复合超润滑涂层，尤其涉及一种纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，属于表面润滑技术领域。

背景技术

摩擦磨损是运动机械普遍存在的现象，据统计摩擦消耗全球1/3的一次能源，磨损导致机械部件的4/5失效，摩擦磨损损失占工业化国家GDP的5%~7%。同时在高技术领域，摩擦磨损问题是造成设备故障，制约其可靠性的主要原因。美国NASA研究报告表明：相当比例的空间机械部件的失效都与摩擦磨损问题有关。润滑是解决摩擦能耗和材料磨损问题最主要的技术途径。而“超润滑”是近些年来提出的一种能够极大突破现有材料润滑性能极限的新概念技术，理论上为零，工程实践上摩擦系数可低至0.01以下即10^-3量级，较常规固体润滑材料0.1左右的摩擦系数低1-2个数量级。因此，超润滑技术的发展不仅对于节能降耗、促进国民经济发展具有深远的意义，而且还将对高技术装备设计和运行可靠性产生革命性的进步。

2015年，美国Argonne国家实验室研究人员于在Science期刊（D. Berman, S. A.Deshmukh, S. K. Sankaranarayanan, A. Erdemir, A. V. Sumant. Science 2015,348, 1118）上报道了石墨烯和纳米金刚石颗粒复合与类金刚石碳膜配副可以在宏观接触条件下获得超润滑性能（摩擦系数低至0.004）。原理是摩擦过程中，石墨烯自发卷绕在金刚石颗粒上形成纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构，该结构可以起到纳米滚动轴承的作用，与类金刚石薄膜配副展现出超低的摩擦系数。但不足之处是：①形成石墨烯卷绕金刚石复合结构依赖于一定的摩擦试验条件，只有在合适的条件范围内才能展现出超低摩擦系数，形成纳米卷结构的稳定性和条件适应性差，导致获得的超润滑态寿命较短。② 材料体系复杂，依赖于石墨烯、纳米颗粒和类金刚石薄膜配副材料，这些均极大地限制了其工程实用化。因此，如何直接制备出具有特殊卷曲结构的纳米材料复合物，能够实现将接触界面之间摩擦系数跨量级降低，对于工程尺度上超润滑的获得以及超润滑技术的发展将起到重要的推动作用，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，以实现接触界面之间摩擦系数低至0.01以下。

一、具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备

本发明具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，包括工艺以下步骤：

（1）纳米卷结构润滑相的制备

将二维纳米片粉末和纳米颗粒粉末混合均匀后加入球磨罐进行球磨处理，得到二维纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构的复合物。

其中，二维纳米片材料可以为石墨烯、MoS₂、WS₂、h-BN，二维纳米片的层数小于50层。纳米颗粒可以为SiO₂、Al₂O₃、Sb₂O₃、金刚石等实心结构的颗粒，纳米颗粒的直径的尺寸小于150 nm。二维纳米片粉末与纳米颗粒粉末的质量比范围为1:0.1~1:20。

采用球磨处理时，球的材质需为陶瓷球，如氧化铝、氮化硅，碳化钨。球料体积比范围为1 : 0.05 ~ 1: 20，球磨转速为60 ~ 1000 rpm，球磨时间为0.5 ~ 10 h。