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导电耐磨自润滑涂层的机理分析

时间:2019-12-30 19:51:20  来源:  作者:

 复合涂层的导电性主要受材料成分、晶格缺陷(空位、位错)、孔隙和杂质原子等因素综合作用的影响,涂层的摩擦磨损性能与涂层的力学性能相关,因此通过优化涂层的制备工艺及选择合适的材料成分体系来提高涂层的导电耐磨自润滑性能。可以通过合适的喷涂工艺来减小涂层的孔隙和杂质原子的含量,同时通过后续的热处理减小涂层中的晶格缺陷来制备高质量涂层,进一步提高涂层的导电性能。复合涂层的摩擦磨损性能主要受材料力学性能的影响,有摩擦学理论认为,摩擦磨损主要涉及材料的摩擦表面和亚表面层,理想的摩擦器件最表层应具有较低的剪切强度和硬度而发挥润滑作用,次表层应具有较高的硬度和弹性模量而发挥承载和抗塑变作用。在摩擦过程中,高硬度可以抵抗塑性变形,提高了材料发生塑性变形时所需的载荷,弹性模量会将载荷分配到更大的区域,使得应力难以过分集中而导致局部破坏,材料的变形更容易。因此,可以通过改变涂层表面的硬度和弹性模量等力学性能,来提高其摩擦磨损性能。导电耐磨自润滑涂层的服役环境通常为涂层在加载电流条件下的磨损行为,即载流摩擦。当前,研究人员对复合涂层的载流摩擦磨损性能研究较少,对其摩擦磨损机理认识尚浅。同时,现有的涂层载流摩擦磨损机理研究大部分依据块体材料的载流摩擦性能机理来展开。因此,本文将对块体材料的载流摩擦磨损机理进行分析与借鉴,以便用来指导涂层的载流摩擦磨损机理。研究发现,载流摩擦过程中,随着摩擦副表层温度的升高,在接触面上会形成氧化膜,氧化膜在保护基体的同时具有润滑作用,随着热量的继续增加,氧化膜发生破碎,产生氧化磨损。同时滑动过程中振动和冲击会导致摩擦副之间局部失去接触,在摩擦表面形成电弧,电弧的产生加速了表层材料的熔融和气化,产生蚀坑、热应力裂纹及材料剥落等现象,加剧了材料的磨损。Fadin等从原子角度分析认为,载流摩擦过程中,在接触点附近的微区内,原子处于高激发态,在摩擦副表层会获得更大的塑性变形趋势,同时微区内会形成粘滞流体,在随后的塑性变形过程中发生应力松弛,极大地提高了表层的耐磨性。随后他们从相变的角度解释这一现象,在一定的电流密度下,摩擦副表层发生相变,形成了氧化铁、体心立方铁、面心立方铁及“准无定形初始材料”等复合结构相,生成的这些相变化合物会发生滑移,在滑动表面形成准液态塑性流动,导致了应力松弛,提高了材料的磨损性能。近年来,导电耐磨元件已广泛应用于现代化工业当中,随着资源节约型社会的需求发展,采用块体材料制备导电耐磨材料成本高、资源消耗大、功能性单一,因此通过表面改性技术制备导电耐磨自润滑功能涂层来提高其表面性能,同时采用该技术对已损坏工件进行表面再制造修复,极大地降低了生产成本。当前,国内外研究学者对导电耐磨涂层的研究起于初步阶段,对其研究主要集中于电气工程、轨道交通、航空航天及军事领域。例如,高压隔离开关表面制备银基涂层后,对于电力系统输送的安全性、稳定性有了极大的保障;飞机的座舱盖在沉积功能薄膜后,其电磁屏蔽性、综合防护性都有显著的提高;电磁轨道炮表面制备钼基涂层后,极大地了延长了导轨的使用寿命。与此同时,导电耐磨涂自润滑层也逐渐应用于电机中的碳刷和集电环、航天器的精密导电滑环、高铁的受电弓滑板及无轨电车的集电弓滑板等领域。今后,导电耐磨自润滑涂层在装备零部件上的使用会愈加广泛。近年来,部分兼具高导电、高耐磨及低摩擦等性能于一体的材料相继问世,但是应用于导电耐磨自润滑涂层制备领域的材料相对较少,对其研究相对较浅。例如,三元层状化合物MAX相具有典型的六方进一步优化涂层的质量,从材料体系出发,探寻导电耐磨自润滑性能于一体的材料,设计合理的新型材料体系及成分配比。例如,在超高导电铜基涂层中掺杂Ti4O7MAX等高导电耐磨自润滑相。

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