微/納米機固-液復合材料的制備及其性能研究

路丹丹

(西北民族大學，甘肅 蘭州 730100)

隨著航空航天、微/納米技術以及磁記錄技術的發(fā)展，許多微/納電機的高精密運動表面以及超高密度存儲磁盤的磁頭和磁盤界面處于帶電狀態(tài)，電流會通過潤滑界面影響潤滑效果[1]。傳統(tǒng)的潤滑方案主要有兩種，液體潤滑和固體潤滑。固體潤滑具有結構簡單、使用溫度范圍寬等優(yōu)點，但其潤滑壽命有限。液體潤滑具有承載能力大、傳熱性能好等優(yōu)點，但溫度使用范圍窄。利用固體潤滑材料與液體潤滑材料的協(xié)同效應可以彌補單一潤滑劑的缺點，明顯改善摩擦副的摩擦學性能，提高運動部件的使用壽命。

類金剛石薄膜具有高硬度，低摩擦和優(yōu)異的耐磨性，耐腐蝕性，高彈性模量和高化學惰性等特點，是一類應用前景廣闊的潤滑材料[2]。磷酸二丁酯四丁胺作為一種離子液體，具有極低的蒸氣壓，很寬的溫度范圍，不可燃性，優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和高導電性等優(yōu)點，是一類潛在的潤滑劑。本研究將類金剛石薄膜引入到摩擦副基底與離子液體之間，與離子液體組成固-液復合潤滑體系，考察其在電場作用下固-液復合潤滑特性。類金剛石薄膜的存在可以有效隔離基底與離子液體，減緩或阻止腐蝕發(fā)生。

1 實驗部分

Cr摻雜的類金剛石薄膜(Cr-a-C:H)采用多靶位磁控濺射系統(tǒng)制得，磷酸二丁酯四丁胺離子液體采用文獻的方式合成[3]。采用旋涂法將磷酸二丁酯四丁胺離子液體潤滑劑均勻地涂覆在沉積好的類金剛石薄膜上，制得固-液復合潤滑體系。使用傅立葉變換紅外光譜儀(FTS-40型，美國Bio-Rad公司)對合成的磷酸二丁酯四丁胺進行紅外光譜測定。使用UMT-2MT摩擦試驗機來評價固-液復合潤滑體系在不同電場強度下的摩擦磨損性能。滑動方式為往復滑動，摩擦對偶選擇直徑為3 mm的GCr15鋼球，單次滑動行程為5 mm，滑動頻率為3 Hz，法向載荷為5 N，測試溫度為室溫。外部電壓通過直流穩(wěn)壓電源直接施加到上試件與下試件之間，通電極性以摩擦副上的鋼球連接正極時示為正，以摩擦副上的鋼球連接負極時示為負。測試過程中上試件和下試件均與試驗機的其它部分絕緣。

2 結果與討論

圖1 磷酸二丁酯四丁胺結構示意圖

圖2 磷酸二丁酯四丁胺的紅外譜圖

圖1為磷酸二丁酯四丁胺離子液體的結構示意圖，圖2為磷酸二丁酯四丁胺離子液體的紅外譜圖。由圖分析可知， 3392 cm-1處為N-H伸縮振動吸收峰，2961 cm-1處是C-H伸縮振動吸收峰，1235 cm-1處是C-O伸縮振動吸收峰，1077 cm-1處為C-N伸縮振動吸收峰，973 cm-1處是P-O伸縮振動吸峰。

圖3 不同電位下固-液復合潤滑材料與鋼球?qū)δサ?摩擦系數(shù)曲線

圖3為不同電位下固-液復合潤滑材料與鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)曲線。由圖分析可知，復合潤滑體系的摩擦系數(shù)在沒有施加外電壓條件下的數(shù)值最大，在電位+0.5 V時，復合潤滑體系具有最低的摩擦系數(shù)，隨著電位的增加摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且較正的表面電位下的摩擦系數(shù)低于較負的表面電位下的數(shù)值，因此施加合適的電場能獲得良好的潤滑性能，實現(xiàn)電控摩擦。分析原因可能是外加電壓使得摩擦對偶間的雙電層厚度增加，正表面電位條件下，通過靜電吸附作用吸附大量的磷酸酯陰離子，其中活性磷元素能與金屬基底形成具有減摩抗磨性能的化學反應膜。當施加電壓繼續(xù)增高時，其摩擦系數(shù)有增大趨勢。在負表面電位時，薄膜表面以四丁胺陽離子的靜電吸附為主。磷酸酯陰離子中磷的活性大于四丁胺陽離子氮的活性，所以較正電位下的摩擦系數(shù)低于較負電位下的摩擦系數(shù)。