金属基固体自润滑复合涂层及其制备技术研究进展

 固体自润滑复合材料具有较宽的使用温度范围，其化学性质稳定，能够在高真空和强辐射等特殊环境中发挥作用，能够实现永久润滑，使用方便且绿色，是解决上述问题最有效途径之一。固体自润滑复合材料有粉末、涂层以及块状三种形式，根据摩擦学观点，磨损发生在工件表面或近表面区域，因此在工件表层制备固体自润滑复合涂层是最经济、有效的方式。固体自润滑复合涂层按其基体类型分为3类：金属基固体自润滑复合涂层、无机非固体自润滑复合涂层以及聚合物基固体自润滑复合涂层。无机非固体自润滑复合涂层的强度高，但是不易制备，并且其后期加工的难度较大。聚合物基固体自润滑复合涂层的密度低和抗腐蚀能力强，但是强度较低，且在高温下易于失效。金属基固体自润滑复合涂层因具有优良的综合性能，成为近来研究的热点。金属基固体自润滑复合涂层是通过一定的工艺在基体表面制备的以金属为基体，加入固体润滑剂和附加组元，兼具基体金属性能以及自润滑性能的复合涂层。金属基固体自润滑复合涂层材料体系如表所示。涂层根据金属基体的类型分为四类：以W、Mo为代表的难熔金属基自润滑复合涂层，以Ag为代表的软金属基自润滑复合涂层，以Al、Cu为代表的低温金属基自润滑复合涂层[20-22]以及以Ni、Co 为代表的高温金属基自润滑复合涂层。难熔金属基自润滑复合涂层广泛应用于高温和高速的场合，但由于其加工困难、价格高而逐渐被取代。Ag基自润滑复合涂层具有良好的反射率、电导率、热导率以及延展性等特性，在电子探头和太阳能设备等方面具有独特的优势。低温金属基自润滑复合涂层在温度较低的场合下，具有优良的自润滑效果，当温度升高时，润滑效果降低，高温金属基自润滑复合涂层则与其相反。金属基固体自润滑复合涂层常用的固体润滑剂大致可分为三大类：1）无机固体润滑剂，如Ag、Pb等软金属，MoS₂、WS₂和石墨等层状固体，CaF₂、BaF₂ 和Al₂O₃等金属化合物，Ti₃SiC₂、SrSO₄等新型高温润滑剂；2）有机固体润滑剂，如PTFE、PE 等高聚物；3）复合固体润滑剂，如h-BN+MoS₂、WS₂+Ag+h-BN 以及MoS₂+Ag 等。应该注意的是，固体润滑剂在一定范围内才能发挥作用，超出其使用范围会失效，不能起到润滑作用。例如，Sliney HE等研究表明，MoS₂和石墨等层状固体润滑剂在高于350℃的温度下会发生氧化而失去润滑作用，因此层状固体润滑剂制备的涂层只有在工作温度不高的环境中才能发挥作用。Chen J等研究表明，CaF₂在温度大约400℃时会发生韧脆转变，低于400℃时会因变脆而失去润滑作用，因此CaF₂适用于制备在高温环境下服役的涂层。软金属适用的温度范围较宽，但具有易塑性变形、易氧化等缺点。因此，应该根据具体应用选择不同的固体润滑剂。高温金属基自润滑复合涂层的附加组元有如下几类：碳纤维、碳纳米管等提高涂层强度、硬度以及耐磨性的增强体；使涂层具有高硬度、耐高温、耐腐蚀以及抗氧化等特性的元素，如Al、Cr、S。

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