金屬基固體自潤滑復合材料的研究進展

王常川，王日初，彭超群，馮 艷，韋小鳳

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

金屬基固體自潤滑復合材料的研究進展

王常川，王日初，彭超群，馮 艷，韋小鳳

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

介紹固體潤滑技術和固體潤滑材料的應用背景和優勢，總結難熔金屬基、銅基、鋁基、鐵基和鎳基等金屬基固體自潤滑復合材料各自的特點，討論金屬基固體自潤滑復合材料的自潤滑機理，指出金屬基固體自潤滑復合材料在研究與開發中出現的問題，介紹近年來金屬基固體自潤滑復合材料制備方法和研究內容方面的進展。

金屬基復合材料；固體潤滑劑；自潤滑；潤滑機理

Abstract:The backgrounds and advantages of solid lubricating technology and materials were introduced. The characteristics of refractory metal-based, copper-based, aluminum-based, iron-based and nickel-based solid selflubricating composites were summarized. The lubrication mechanism of metallic solid self-lubricating composite was discussed. The problems in the research and development of metallic solid self-lubricating composite were pointed out.The progresses in the preparation and research of metallic solid self-lubricating composite were introduced.

Key words:metallic composite; solid lubricant; self-lubricating; lubrication mechanism

全世界每年消耗的各類燃油總計約15億t，但能源有效利用率只有30%左右。據估計，摩擦和磨損消耗了全世界消費能源的30%～40%[1]。摩擦作為物體運動中的自然現象，是人類認識自然改造自然的過程中所面臨的老問題。人類科學技術和生產方式進步的歷史，也是潤滑技術發展的歷史。通過改進潤滑技術，能有效地減少摩擦磨損所帶來的資源浪費，為全人類帶來巨大的經濟效益，尤其是在地球能源日益枯竭、全球氣候變化引起人們廣泛的憂慮的今天，節省資源更是有利于社會的穩定以及人類的可持續發展。

潤滑油與潤滑脂作為古老而有效的潤滑材質，應用于工程機械和車輛工具等各個領域。然而，隨著現代化工業的不斷發展，以及航空航天、科學研究和新能源開發等諸多領域的發展，工程機械需要在真空、高溫和輻射等多種苛刻條件下正常運轉，人們迫切需要改進潤滑技術和潤滑材料以代替潤滑油和潤滑脂[2?3]，以滿足工程機械在苛刻條件下的潤滑減摩需求，固體潤滑劑因此應運而生。固體潤滑劑是具有潤滑作用，能降低摩擦帶來的能量損耗并對相對運動的部件起保護作用的薄膜或粉末狀固體物質[4]。與傳統的流體潤滑介質不同，固體潤滑劑在中通常為固體，因此能較好地滿足現代工業對潤滑材料的使用要求。

固體自潤滑復合材料是將固體潤滑劑和附加組元添加到基體中，通過一定的制備工藝而制備出同時具有一定強度和潤滑性能的復合材料[5]。其中，基體賦予材料一定的強度、硬度、抗氧化和腐蝕等性能，固體潤滑劑賦予材料潤滑性能，并且一般不需要添加潤滑油脂。因此，此類材料漸漸進入人們的視野，并于20世紀30年代開始了粉末冶金青銅基自潤滑復合材料的生產[6]，30年后出現了陶瓷黏結MoS2和相應的金屬基復合材料，在超音速飛機的問世過程中起到了十分重要的作用。隨著信息時代的來臨，出現了聚合物基、陶瓷基和金屬基等多種門類的固體自潤滑復合材料[7]，且其性能也不斷改善。其中，金屬基固體自潤滑復合材料具有優良的綜合性能、廣泛的應用前景，逐漸成為材料科學研究和開發的新重點。目前，在生產機械、家用電器、辦公設備、精密儀器、交通運輸設備和軍事裝備等領域，金屬基固體潤滑材料都起著十分重要的作用[1]。

高性能金屬基自潤滑材料的研究與開發需要緊密圍繞實際生產生活需要，不僅必須具備良好的工作性能，還必須做到在生產、使用和回收再利用過程中的資源節約和環境保護。開展金屬基自潤滑復合材料的研究，能改進其性能，拓展其應用范圍，對工業生產、科學研究、軍事國防和交通運輸等領域具有十分重大的意義。

1 金屬基固體潤滑復合材料概況

相對于聚合物基和陶瓷基固體自潤滑復合材料，金屬基固體自潤滑復合材料在制備和應用等方面都具有較大的優勢：聚合物具有較低的密度和較高的抗腐蝕能力，但是強度較低，并且易在摩擦熱的作用下失效；陶瓷材料具有較高的強度，但是制備和后期加工的難度較大。金屬基固體自潤滑復合材料具有金屬的韌性和塑性，具有一定的加工性能和變形性能，其強度、硬度可以滿足潤滑膜的承載性和耐磨性要求，并且能夠適應各種不同的大氣環境、化學環境、高溫和高真空等特殊環境[7]。此外，部分金屬在摩擦過程中還可以形成多種具有潤滑性的化合物，提高材料的潤滑性能[8?9]。金屬基固體自潤滑復合材料按基體材質可分為難熔金屬基自潤滑復合材料、以鐵銅為代表的低溫自潤滑復合材料、以銀為代表的軟金屬基自潤滑復合材料和以鎳為代表的高溫自潤滑復合材料等。

在20世紀70年代，人們在鎢、鉬、鉻、鈮等難熔金屬中添加固體潤滑劑制備相應的自潤滑復合材料，這些金屬具有較好的耐磨性，并且在摩擦過程中不易發生卡滯。為了提高材料的力學性能，還可以添加WC、NbC、VC、TiC、ZrC和Al2O3等硬質相。在高溫高速以及摩擦發熱量大的場合下具有十分廣泛的應用[6]。研究表明[10]，在 40%～80%W 中添加 20%～60%MoS2作為固體潤滑劑時具有較高的強度和較好潤滑減摩效果。然而，難熔金屬的缺點也十分明顯，它們價格昂貴，成型復雜，燒結困難，因此逐步被銅基和鐵基等材料替代。

銅具有良好的電導率和熱導率，以及較好的耐腐蝕性，廣泛用于電觸頭材料和電子封裝材料以及電工機械中摩擦部件中。由于石墨性質穩定，通常不與銅基體發生反應，也不與銅基復合材料中常見的錫和鉛等元素反應，并且具有良好的導電性，因此石墨在銅基自潤滑復合材料中的應用最廣泛[11?12]。低石墨含量的材料適合在高載荷條件下工作，而高石墨含量的材料適合在低載荷高速率條件下工作。此外，在基體中添加 9%～12%錫可最大化提高基體的力學性能[6]，而添加鉛可降低材料的的摩擦因數，起到更好的潤滑作用，鋁也被證實添加至銅基體中可具有較好的潤滑性能[13]。

鐵基材料價格低廉、來源廣泛，具有較高的強度和耐磨性，此外，鐵可以依靠合金化和添加添加劑改變其力學、化學和摩擦學性能，以適應不同的工作環境。銅在鐵中的溶解度非常小，但是在F/C復合材料中，銅能改變材料中滲碳體的形態和分布，進而改善材料的結構和力學性能[14]，因此，銅被用作鐵基自潤滑復合材料中十分重要的合金元素。常用的鐵基自潤滑復合材料有 Fe/C、Fe-Cu/C、Fe-Mo/C等[14?16]。然而，鐵基自潤滑復合材料通常具有較高的硬度，在使用過程中鐵與石墨反應產生彌散硬質點，容易對配偶部件造成損傷。

鋁具有較小的密度、較高的強度和硬度、較好的抗腐蝕性能以及低廉的價格，因此非常適合作為室溫至中高溫度段中的基體材質使用。楊慧敏和李溪濱[17]指出，在相同的條件下，鋁基自潤滑復合材料比青銅基復合材料具有更高的壽命和許用pv值(潤滑材料工作時的載荷(p)與摩擦副之間相對運動速率(v)的乘積)，可以用于替代有油及無油條件下的青銅基復合材料。鉛作為潤滑相添加至鋁基體中，可與石墨等潤滑組元相互協同，起到良好的潤滑減摩作用，將鉛添加至Al/C復合材料中，可大幅度改善摩擦磨損性能[18]。用粉末冶金法制備鋁基自潤滑復合材料時，添加一定量的銅粉和鉛粉可改促進其燒結過程，減小孔隙。

金屬銀具有超高真空中的穩定性、良好的電導率和熱導率以及抗輻射、高溫、腐蝕等優良特性，銀還是良好的固體潤滑劑，銀基自潤滑復合材料在電子領域中具有較大的優勢[19]。目前常用的銀基自潤滑復合材料有Ag/MoS2、Ag/MoS2-C、Ag/WS2和Ag/NbSe2等。研究表明，這些銀基復合材料在能在300 ℃以下保持0.2以下的摩擦因數，并且在電流作用下依舊保持良好的潤滑減摩效果，還能適應在空間技術中常見的多倍重力加速度、輻射和真空等環境，成功運用于我國航空航天領域[20]。

隨著科學技術的發展，人類正在挑戰更苛刻的環境，極端高溫已成為人類在科學探索過程中最常遇到的困難，因此，在航空航天、航海遠洋和石油化工等領域，工程機械對高溫固體潤滑材料提出了更高的要求。鎳在高溫合金領域具有十分廣泛的應用，鎳合金在1 000 ℃以上的高溫環境中仍具有良好的強度、抗氧化和抗腐蝕的能力，因此，鎳基高溫自潤滑復合材料開始進入人們的視野并被廣泛研究[21?22]。鎳基高溫合金具有比純鎳更優秀的抗高溫氧化能力，目前，鎳基高溫合金的常用添加元素有鋁、鉻、鈦等[23]。

在鎳中加入鋁后，鋁會對合金產生多種強化效果，鋁在鎳中具有固溶度，產生固溶強化作用，其γ′-Ni3Al相也可以大幅度提高基體硬度，并增強耐磨性能、抗高溫和耐腐蝕性能[24]。當 γ′-Ni3Al相的體積分數由12%增加至 60%時，合金的抗高溫性能能提高約 200℃[25?26]。鎳鋁基自潤滑復合材料比鎳基自潤滑復合材料具有更好的潤滑減摩性能，進一步的研究表明，鎳鋁基自潤滑復合材料在自有固體潤滑劑的基礎上，在潤滑膜中還會出現玻璃陶瓷相，這樣的玻璃陶瓷相在700～900 ℃下具有較好的潤滑性能，提高鎳基復合材料在高溫下的摩擦磨損性能[27]。ZHANG等[28]用反應燒結法制備了 Ni3Al-hBN-Ag復合涂層，不僅具有優良的力學和摩擦磨損性能，還有效避免了金屬間化合物所帶來的脆性。

鉻是另一種鎳基高溫合金中常用的合金元素，常溫下鉻在鎳中具有較高的固溶度，當鉻的質量分數在21%以下時，鉻全部以固溶體形式存在于鎳基體中，因此具有較好的固溶強化效果。而當鉻作為合金元素添加時，在高溫下能形成連續致密的Cr2O3膜，阻隔空氣與金屬離子的擴散，減緩金屬的氧化速率，提高合金的抗氧化性能[29?30]。鎳鉻合金的高溫抗氧化性能優于純鎳和純鉻，這是由于鎳鉻合金在高溫下產生的尖晶石型化合物NiCr2O4能更好地阻隔金屬與氧的接觸，表現出更好的高溫抗氧化性能[31]。鉻還能與硫反應生成多種硫化物，在高溫下具有較小的剪切強度，易形成具有轉移性的潤滑膜[9]。此外，鉻能提高鎳合金的抗腐蝕性能，Ni-Cr-Mo合金具有良好的抗腐蝕性能，在氧化性介質和還原性介質中腐蝕率極低，在海洋環境中具有較廣泛的運用[32?33]。劉如鐵等[34]通過在熱壓 Ni-Cr-Mo合金合金中添加硫，成功研制了可在海水環境中具有高抗腐蝕能力的自潤滑復合材料。通過加入添加劑，可改善鎳基自潤滑復合材料的摩擦磨損性能和力學性能。熊黨生[35]在鎳基自潤滑復合材料中添加4%的LaF3、CeO2和La2O3，發現材料在分別添加稀土化合物后，力學性能有所降低，但是摩擦磨損性能大幅度提高，其中對摩擦磨損性能提升最大的稀土化合物是 La2O3，其寬溫帶范圍內摩擦因數和磨損率均只有合金基體的50%。分析表明，稀土化合物能增加鎳基固溶體的晶面間距，降低剪切強度。

2 金屬基自潤滑復合材料的潤滑機理

當硬度相差較大的摩擦副發生相對運動并滑移時，如圖 1(a)所示，硬金屬通常會壓入軟金屬中，進而增加接觸面積，摩擦力也隨之增大。而當硬金屬之間發生滑移時，如圖1(b)所示，盡管接觸面積不變，但兩者屈服強度較大，克服塑性變形所需要的能量也較大，因此摩擦力增大。而如果硬金屬之間有一層剪切強度很小的薄膜如圖 1(c)所示，則可在不增加摩擦副間的接觸面積的情況下降低剪切強度。此時摩擦所引起的塑性變形主要發生在薄膜之內，摩擦力和摩擦因數都能降低，從而保護基體不受摩擦的損傷。金屬基自潤滑復合材料的潤滑作用主要體現在，其含有的固體潤滑劑能在摩擦副之間形成低剪切強度的潤滑膜，從而降低摩擦因數和磨損率[1]。

根據BLAU和YUST[36]的觀點，在摩擦副中存在固體潤滑時，摩擦副之間的摩擦力由兩部分組成，一部分是對偶與金屬基體之間的摩擦力，另一部分是對偶與潤滑膜之間的摩擦力，即式中：σm為金屬基體與對偶接觸的面積，σ1為潤滑膜與對偶接觸的面積，Fm和 F1分別為金屬基體和潤滑膜上的分力。而摩擦副之間的摩擦因數可表示為

或式中：χm和χ1分別為裸露的金屬基體面積和固體潤滑膜面積占總表面積的比例，μm和 μ1分別為金屬基體和固體潤滑膜與對偶材料的摩擦因數。從式(2)和(3)可看出，有潤滑膜覆蓋的面積越大，潤滑膜越完整，總的摩擦因數越低，潤滑效果越好。

金屬基自潤滑復合材料在滑移時產生潤滑膜的原理如圖2所示[37]。首先，在摩擦開始前，金屬基自潤滑復合材料由金屬基體和固體潤滑劑組成，固體潤滑劑均勻分布于金屬基體中，材料的表面與內部基本無區別(見圖2(a))。此后，摩擦副開始相對運動，此時摩擦副之間的作用與圖1(b)中所示的情況類似，摩擦副之間基本以金屬基體和對偶材料之間的接觸為主，摩擦比較劇烈，復合材料表面開始擠壓變形，并伴隨有大量摩擦熱，此時均勻分布于金屬基體內部的固體潤滑劑受到擠壓變形的作用逐漸向外表擠出，材料表面固體潤滑劑的含量增多，固體潤滑劑裸露在材料表面(見圖 2(b))。最后，由于固體潤滑劑通常具有較小的剪切強度，或者固體潤滑劑能在壓力和摩擦熱作用下生成剪切強度較小的物質(見圖2(c))，這些低剪切強度的物質逐步向與對偶接觸的一側聚集，在摩擦力的作用下被剪切攤開在外表面。起初擠出的固體潤滑劑并不充分，形成的潤滑膜不足以覆蓋整個金屬表面，因此還具有較高的摩擦因數和磨損率。但是隨著時間延長，向表面擠出的固體潤滑劑不斷增多，在摩擦力和正壓力的反復作用下固體潤滑膜層不斷得到完善與補充，最終形成完整連續的潤滑膜。

圖1 潤滑膜作用原理圖[1]Fig.1 Diagram of lubricant film[1]

圖2 固體潤滑膜產生原理[37]Fig.2 Formation mechanism of solid lubricant film[37]

固體潤滑劑可在摩擦的過程中在剪切力的作用下成膜，固體潤滑膜能否充分攤開盡可能地覆蓋摩擦表面不僅取決于固體潤滑劑的性質，還取決于固體潤滑膜與金屬基體的相互作用，以及固體潤滑劑在金屬基體上的轉移。多年來，人們對潤滑膜的轉移進行了多方面的研究，但目前還沒有準確統一的定論，對金屬與潤滑膜的相互作用中機械作用、自由能效應、靜電吸附、化學作用、極性作用等[1]。

材料良好的潤滑性能不僅取決于固體潤滑劑能否形成完整潤滑膜，而且取決于壽命潤滑膜壽命的長短，而潤滑膜的壽命主要取決于3個因素：

1) 潤滑膜的耐磨性。潤滑膜的耐磨性受潤滑材料和基材間的匹配、基體表面狀況和固體潤滑膜組成及厚度等多因素的影響。潤滑膜與基體間的結合受吸附作用和物理作用等多方面影響，不同的潤滑介質與基體材料之間具有不同的化學親和力和吸附作用，它們對潤滑膜與基體間的結合強度影響較大，固體潤滑劑與基體不匹配，不易結合，或者基體表面不適宜潤滑膜的穩定存在，都會促使潤滑膜剝落而影響潤滑效果。

2) 基體強度。當材料具有較大塑性時，剪切力有可能深入材料內部，使基體發生撕裂與剝落，此時潤滑膜會失去潤滑作用。

3) 基體中固體潤滑膜的修復能力。固體潤滑膜發生剝落后，基體內部的固體潤滑劑會繼續向外擠出，若固體潤滑劑含量足夠，則可以形成新潤滑膜填補空缺。

3 金屬基自潤滑復合材料研究目前存在的主要問題

金屬基自潤滑復合材料誕生的幾十年來，人們通過不斷研究，已開發出多系列多種類適合不同摩擦條件與苛刻環境的金屬基自潤滑復合材料，部分材料已運用到電子、航空、能源、水利和船舶等領域。然而，目前金屬基自潤滑復合材料的研究中還存在以下問題。

3.1 材料的潤滑性能與力學性能難以統一

粉末冶金金屬基自潤滑復合材料通常由兩種以上具有不同性質的粉末制成。根據皮涅斯[38]的理論，兩種不同種類的粉末的燒結需要滿足以下關系：

式中：γAB為兩相的比界面能，γA和 γB分別為 A、B兩相單獨存在的比界面能。當兩相的比界面能小于兩相單獨存在的比界面能之和時，體系才能燒結。而固體潤滑劑與金屬之間化學性質相差較大，屬于互不溶燒結體系，固體自潤滑復合材料中金屬基體與固體潤滑劑之間的結合程度很低，材料的燒結主要依靠金屬粉末之間的結合，因此，固體潤滑劑的加入使得材料的燒結程度降低，力學性能變差。浩宏奇等[39]研究了石墨含量對銅基材料性能的影響，結果表明，雖然石墨的添加能改善摩擦磨損性能，但是隨著石墨含量的降低，材料的密度、硬度和抗彎強度均降低。蔣冰玉等[40]研究了hBN含量對Ni-Cr基自潤滑復合材料力學性能和摩擦磨損性能的影響，結果表明，隨著hBN含量的增加，材料的孔隙率、硬度和抗彎強度都下降，當 hBN含量高于 11%時甚至由于基體材料的強度過低而提高了材料的平均磨損率。

3.2 固體潤滑劑的使用范圍有限

固體潤滑劑通常具有一定的適用范圍，超出使用范圍則會導致固體潤滑劑失效甚至導致嚴重事故，而目前固體潤滑劑技術所面臨的環境日益復雜，對固體潤滑劑的要求越來越高，而固體潤滑劑的適用范圍有時候難以滿足當前技術對復雜環境的要求。例如，MoS2和石墨在 350 ℃以上的溫度下潤滑作用會減弱甚至失效[41]；CaF2和 BaF2在高溫下具有較好的潤滑性能，但是在500 ℃以下時不具備潤滑效果[42]；軟金屬銀和鉛在真空中的穩定性和潤滑性較好，但是抗氧化和腐蝕能力較差[43]。

3.3 難以滿足新時期對固體潤滑的要求

人們的環保意識不斷提高，各部門都對材料提出環保要求。隨著食品、醫藥、水利等行業的興起，人們開始重視低毒、低污染、低排放、安全系數高的固體潤滑材料的研究與開發。目前，MoS2、PbO、Ag等多種常用固體潤滑劑中均含有對環境有害的元素，石墨等固體潤滑劑具有易燃性，在使用過程中易導致安全事故。因此人們迫切需要更環保、更安全的固體潤滑劑。

4 金屬基自潤滑復合材料在制備領域的進展

為解決金屬基自潤滑復合材料在制備中所遇到的問題，改善金屬基自潤滑復合材料的性能，開發新型復合材料，在金屬基自潤滑復合材料的制備領域人們開始采用新工藝和新手段，并取得了一定進展。

4.1 粉末表面改性技術的應用

對于互不溶體系假合金，不同組分間的結合界面對材料的燒結性能影響很大，若在固相燒結時顆粒表面上有其他物質生成的液相，或者添加能加速粉末表面原子擴散的活化元素以及能與異類粉末反應的表面改性劑，都能提高粉末的活性并加速燒結過程[38]。目前，針對固體潤滑劑與金屬基體界面結合能力弱而導致的燒結程度較低，影響力學和摩擦磨損性能等問題，人們采用對固體潤滑劑表面改性，改善固體潤滑劑與基體材料之間界面結構和潤濕性，進而增強基體材料與固體潤滑劑之間的界面結合，起到改善材料力學性能和摩擦磨損性能的目的[44?46]。目前在金屬基自潤滑復合材料中改性技術運用最廣泛的是化學鍍法。化學鍍是在無外加電場的條件下，添加還原劑對溶液中的金屬離子進行還原，并通過條件控制使金屬有選擇地析出成為金屬鍍層的工藝。尹延國等[47?48]研究了石墨表面化學鍍鎳對銅基自潤滑復合材料力學性能和摩擦磨損性能的影響，結果表明，采用鍍鎳石墨粉能改善銅基體和石墨的結合狀態，材料強度顯著提高，并且摩擦磨損性能也有較大改善，磨損率降低約50%。此外，目前還出現了一些工藝較為簡單的粉末表面改性方法對固體潤滑劑進行處理。王常川等[49]用沉淀法制備了鍍鎳hBN粉末，結果表明，鍍鎳hBN粉末能改善Ni-20Cr/hBN復合材料的力學性能和綜合摩擦磨損性能。李溪濱等[50]用硝酸鎳分解?氫還原法對 MoS2粉末進行包覆鎳處理，結果表面，采用鎳包覆 MoS2粉末制備的自潤滑復合材料具有較好的寬溫帶摩擦磨損性能。

4.2 多種固體潤滑劑的同時運用

針對單一固體潤滑劑無法適應復雜環境的問題，人們開始采用多種固體潤滑劑添加至同一基體中，利用不同固體潤滑劑之間的互補，以達到對復雜環境的要求。同時添加多種固體潤滑劑時，應考慮以下原則：

1) 多種固體潤滑劑之間在潤滑效果上應起到協同作用，而不是相互抵消；

2) 選用的不同種類固體潤滑劑需在適用范圍上有所區別，以提升材料對環境的適應性；

3) 基體和不同種類的固體潤滑劑都應保持相應的匹配；

4) 選擇的制備方法應同時滿足不同固體潤滑劑的要求。

ZHU等[51]研究了同時添加銀和金屬氟化物 BaF2和CaF2的Ni-Al基自潤滑復合材料的摩擦磨損性能，結果表明，金屬氟化物能夠在高溫下提高材料的強度，而Ag能夠與金屬氟化物起到較好的協同作用，有效提高摩擦磨損性能。TYAGI等[52]研究了同時添加納米銀和hBN的Ni基復合材料的摩擦磨損性能，結果表明，同時添加銀和hBN的復合材料的磨損性能比金屬基體和單純添加hBN的復合材料都好，并且當hBN含量為 8%時，添加 12%銀能獲得最低摩擦因數(0.35～0.55)，并且銀的添加能較好地降低材料在低溫范圍(200～400 ℃)的磨損率，這說明兩種固體潤滑劑的添加能改善材料的寬溫帶摩擦磨損性能。LI等[53]研究了同時添加Ag、MoS2和CeO2的鎳基自潤滑復合材料的高溫摩擦磨損性能，結果表明，添加銀和 MoS2的材料在600 ℃以下的摩擦磨損性能比單純添加MoS2的材料好，而在此基礎上再添加 CeO2能進一步提高摩擦磨損性能，CeO2能在潤滑膜表面形成陶瓷相，其摩擦磨損性能提高的幅度最大，添加3種固體潤滑劑的材料比單純添加MoS2的材料摩擦因數降低約80%，磨損率降低約90%。

4.3 新制備工藝的應用

目前，制備金屬基自潤滑復合材料最常采用的是粉末冶金法[54]，包括粉末成型燒結、熱壓、粉末熱擠壓和粉末等靜壓燒結等。粉末冶金法不僅可以直接獲得需要的形狀，切削量極少，而且能夠最大限度地提高生產效率，降低成本，減少能源消耗。在目前常用的固體潤滑劑中，非金屬固體潤滑劑占有相當大的比例，粉末冶金技術可以較容易地實現金屬與非金屬的組合，在金屬基自潤滑復合材料的具有較大的優勢。而對于互不溶燒結體系的復合材料，如果對材料密度要求較高，通常采用熱壓、復壓和燒結鍛造等工藝以提高其致密化程度，也可以采用熔浸、熱等靜壓、熱擠壓等制備工藝[38]。此外，還有鑄造法制備金屬基自潤滑復合材料的先例[55]。過去金屬基自潤滑復合材料的制備以傳統冷壓燒結法為主，而近年來，人們開始嘗試采用新方法和新工藝制備金屬基自潤滑復合材料，取得較好效果。DAOUD[56]用氣壓熔滲法制備了Al/C自潤滑復合材料，結果表明，在熔滲法制備的復合材料中，鋁對材料起到了較好的支持作用，碳纖維分布均勻且材料孔隙率較低，在摩擦過程中，碳纖維使材料具有優良的自潤滑性能并且不易發生嚴重磨損。付傳起等[57]用感應燒結法制備了 Cu-Fe/MoS2高溫自潤滑復合材料，并研究其高溫摩擦磨損性能，結果表明，35Hz的感應頻率能使復合材料的綜合性能達到最佳，在室溫 800 ℃范圍內摩擦因數在 0.33～0.44之間。隨著表面技術的發展，在工件表面制備金屬基復合涂層的方法也開始大量應用。章小峰等[58]用激光熔覆法制備了Ni45-CaF2-WS2復合涂層，結果表明，激光熔覆過程中部分WS2發生分解，復合涂層中產生CrxSy和CaWO4，CaF2能明顯改善熔池的流動性，復合涂層的摩擦因數穩定在0.5左右并且受溫度的影響很小。WU等[59]用化學鍍法制備了Ni-P-C-SiC復合涂層，結果表明，用化學鍍法可使石墨與SiC與鎳基體有較好的結合，Ni-P-C復合鍍層具有較低的磨損系數，Ni-P-SiC復合鍍則具有較好的耐磨性，Ni-P-C-SiC能兼顧兩者的優點，具有較好的綜合摩擦磨損性能。

5 金屬基自潤滑復合材料在理論研究方面的進展

隨著科學技術的發展和檢測手段的提升，人們對金屬基自潤滑復合材料的研究和理解正在不斷的深入，提出了新理論以解釋在研究過程中出現的新現象和新問題。由于技術手段的發展，對金屬基自潤滑復合材料的研究更加系統更加深入。

5.1 提出新的潤滑與摩擦磨損機理

為解釋金屬基復合材料中的新現象，人們提出了多種相關理論并加以研究，形成了獨特的學科體系。研究較多的新理論有耗散結構論、類比法和協同理論等。耗散結構論[60]是指固體潤滑劑在高溫和摩擦的作用下通過自耗的方式提供潤滑相，并以此形成和修復潤滑膜。耗散結構關注的是存在外界物質交換和能量交換的系統中，材料熱力學狀態與宏觀結構形成的關系，可以用以解釋固體潤滑劑形成于修復過程中的一系列熱力學與動力學問題，在相變潤滑和摩擦釉化等方面具有較好的契合度。類比法[61]是利用同類結構性質相似的原則，通過計算與比較氧化物離子勢的方法，以預測一種或多種氧化物的剪切特性和潤滑性能。當體系中由于化學反應、相變等方式轉變為復雜混合體系時，可以通過類比法研究不同氧化物對整體摩擦磨損性能和潤滑的作用，并解釋添加氧化物固體潤滑劑的金屬基自潤滑材料摩擦磨損行為。協同理論[60]是系統中多個子系統間相互協同而達到穩定結構。協同理論主要研究多個不同子系統之間的相互作用以及這種相互作用對總系統的影響，可用于解釋多種固體潤滑劑同時使用時的摩擦磨損現象并作出解釋。

5.2 關注材料的高溫行為

在摩擦過程中，摩擦副之間的機械能轉化為熱能，摩擦過程中的溫度上升對材料的影響，以及材料在高溫中的一系列現象逐漸被人們所重視。在高溫下，金屬基自潤滑復合材料發生氧化并出現氧化層。氧化物的出現有的可以提高材料的力學和摩擦磨損等性能，有的則會導致材料性能下降甚至失效。徐娜等[62]研究了高溫對Ni-Cr基復合自潤滑涂層帶來的影響，結果表明，涂層經500和650 ℃處理后，Cr2O3和NiO等氧化物能使材料組織細化和均勻化，結合強度較處理前更高，而在800 ℃下處理后，材料內固體潤滑相BaF2發生氧化，材料致密度變差，結合強度降低。王振生等[63]研究了Ni-Al基復合材料的自潤滑性能，結果表明，在700～900 ℃下，材料在高溫下于表面形成極細的氧化物保護膜，這種氧化膜消除了材料與對偶之間的直接磨損，并使之具有自潤滑性能。高溫下復合材料中的組元之間化學反應與相變也會對材料的摩擦磨損性能產生影響。董麗榮等[64]研究了添加 LaF3和MoS2的Ni-Cr基自潤滑復合材料在高溫下的化學反應對材料摩擦磨損性能的影響，結果表明，在 400～700℃，MoS2發生分解，S與基體生成硫化物，與 LaF3產生協同作用，使材料的摩擦因數降低。韓杰勝等[65]研究了添加CaF2的Fe基自潤滑復合材料的高溫摩擦特性，結果表明，在500 ℃以上磨損時，CaF2與合金中的Fe和Mo元素反應形成CaMO4、FeMo4F6、CaF2以及多種氧化物共同組成的潤滑膜，具有良好的潤滑性能。

5.3 研究特定環境下的摩擦磨損行為

以往對于自潤滑復合材料的研究通常局限于一般性的摩擦磨損研究，而目前自潤滑復合材料運用的范圍不斷擴大，面對的環境更加復雜，為了驗證其對環境的適應性，通常還需要研究其在不同環境中的性能，相關的研究還在不斷深入和細化。WATANABE[66]研究了添加石墨和 WS2的銅基自潤滑復合材料在電流作用下的摩擦磨損行為，發現在電流作用下材料的電阻增加，摩擦因數降低，并且當電流在0.1～10A范圍內增大時，材料的摩擦因數下降。這是由于表面電流能改變材料與對偶之間的接觸狀態，使固體潤滑劑更好更平穩地發揮作用。JIA等[67]研究了添加石墨的銅基自潤滑復合材料在水中的摩擦磨損性能，結果表明，Cu/C復合材料在水中的摩擦因數較干摩擦時有所提高，這是由于水抑制了摩擦生熱效應使得石墨的滑移能力降低，水對摩擦副的潤滑作用不能彌補石墨損失的潤滑性能。但是摩擦生熱效應的降低能有效提高基體的強度，因此該復合材料在水中的磨損率較干摩擦時有大幅度降低。

6 前景展望

潤滑技術的改進不僅能取得巨大的經濟效益，還有利于環境保護和資源合理利用，金屬基固體自潤滑復合材料作為固體潤滑材料的一種，可以在高溫、輻射和真空等苛刻環境中取代潤滑油脂，并且相對于聚合物基和陶瓷基固體自潤滑復合材料，金屬基固體自潤滑復合材料具有應用范圍廣和制備工藝相對簡單等優勢，因而發展十分迅速。目前相關研究主要遇到 3個方面的挑戰：

1) 固體潤滑劑的局限性。固體潤滑劑的潤滑性能比潤滑油脂稍差，并且對金屬燒結的阻礙作用，限制其大量添加，雖然采用粉末改性技術和多種新的材料制備技術在此方面得到一定成果，但是固體潤滑劑對材料力學性能的不利影響依舊十分明顯；

2) 工作環境對潤滑材料提出更高的要求。目前工程機械等使用的自潤滑部件不僅要面對高低溫、真空、輻射等環境，還被要求有廣泛的適用性，如更寬的使用溫度和載荷范圍、更長的使用壽命和抗疲勞抗熱振性能等，這需要根據基體和固體潤滑劑的性質，合理設計體系和成分，并開發新型固體潤滑劑以滿足需求；

3) 目前還未針對金屬基固體自潤滑復合材料有提出完整系統的摩擦磨損理論。在此類材料的摩擦系統中，存在金屬基體、潤滑相、潤滑膜、摩擦副和氣氛環境等多種因素，目前的理論研究主要以現象解釋為主，相關的理論研究不夠深入，難以對材料的設計和研制起到參考和指引作用。

因此，金屬基固體自潤滑復合材料未來的研究也應該針對以上問題，包括開展粉末冶金技術和復合材料相關的研究、開發新自潤滑體系和新固體潤滑劑和針對自潤滑材料的摩擦學特性系統研究相關的摩擦磨損理論的等。相信在未來，金屬基固體自潤滑復合材料能具有更高的性能和更廣泛的應用空間，更好地服務于各行各業。

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(編輯 何學鋒)

Research progress of metallic solid self-lubricating composites

WANG Chang-chuan, WANG Ri-chu, PENG Chao-qun, FENG Yan, WEI Xiao-feng
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

TF125.9

A

1004-0609(2012)07-1945-11

國家民口配套科研項目(MKPT-03-182)

2011-03-12；

2012-05-12

王日初，教授，博士；電話：0731-88836638；E-mail：wrc910103@163.com