聚苯胺鋰基潤滑脂載流潤滑下的摩擦學性能

馮 欣，夏延秋

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

潤滑脂是油狀半固體，主要用于機械傳動部件的潤滑和密封，在金屬表面具有填充空隙和防腐、防銹作用。電網(wǎng)系統(tǒng)上使用的潤滑脂統(tǒng)稱為電力復合脂或?qū)щ姼?，主要用在變電站、配電站中的母線與母線、母線與設備接線端子連接處的接觸面和開關觸頭的接觸面上，用于導電體(銅與銅、銅與鋁、鋁與鋁、銀層與銀層)的連接處，可有效降低接觸電阻和溫升并提高母線連接處的導電性，增強電網(wǎng)運行的安全性，避免接觸面產(chǎn)生電化學腐蝕[1]。銀作為一種貴金屬，具有良好的延展性，優(yōu)良的導電性和導熱性，因此常用來制作靈敏度極高的物理儀器元件。銀基薄膜在高低溫、真空環(huán)境中具有良好的潤滑性能，精密運動部件表面沉積一層較軟的銀或銀基薄膜可以起到減摩抗磨作用，同時鍍銀層具有優(yōu)良的導電性、導熱性和可焊性[2-4]。研究表明，采用電鍍銀層的電接觸部位可以有效降低接觸電阻，減少摩擦和提高電接觸部位的耐磨性能[4]。但隨著科技的發(fā)展，對電器元件的耐磨性提出了更高的要求，單一的銀膜已經(jīng)很難滿足實際需求。對此，國內(nèi)外學者做了大量的關于銀合金復合鍍層和銀基復合材料以及銀層的固液潤滑研究[5-6]。作為典型的電氣接觸元件的隔離開關在電網(wǎng)中起著至關重要的作用，但是其正常工作時會直接暴露在大氣環(huán)境中，受環(huán)境、氣候等因素的影響較大，經(jīng)常出現(xiàn)觸頭發(fā)熱和磨損失效等問題[3]，為了提高觸頭減摩、耐磨和導電性能，電力復合脂用在隔離開關觸頭處，不僅能夠提高潤滑性能，而且能夠降低接觸電阻，延長接觸副的使用壽命[7]。已有研究表明，離子液體、炭黑、納米ATO和碳納米管作為導電潤滑脂添加劑，可顯著提高電力復合脂的導電性和摩擦學性能[8-11]。已有的關于電力復合脂的研究都是將摩擦與導電分開，本課題則是在通電條件下，研究其摩擦磨損性能。聚苯胺是一種導電聚合物，具有較好的環(huán)境穩(wěn)定性、可調(diào)控的電導率、優(yōu)異的抗腐蝕性能，本研究將聚苯胺作為導電添加劑，制備了一種電力復合脂，即聚苯胺鋰基潤滑脂(簡稱PANI脂)，考察在載流條件下，銀鍍層材料在干摩擦和邊界潤滑條件下的摩擦學性能，并討論邊界潤滑條件下銀鍍層材料的電磨損機理和導電機理。

1 實 驗

1.1 原 料

銀鍍層的基底材料純銅(純度不小于99.9%)，購于上海松佑實業(yè)有限公司，尺寸為100 mm×50 mm×1 mm；電鍍所需鍍銀溶液購于中航工業(yè)洪都集團。PAO40(聚α-烯烴)作為基礎油，購于昆侖潤滑油公司。聚苯胺粉末作為導電添加劑，購于泰州永嘉貿(mào)易有限公司，其基本理化性質(zhì)如表1所示。其他試劑均為分析純，購于天津歐博凱化工有限公司。

表1 聚苯胺粉末基本理化特性

1.2 聚苯胺鋰基潤滑脂的制備

復合鋰基潤滑脂(簡稱復合鋰基脂)的制備：以氫氧化鋰、12-羥基硬脂酸和癸二酸混合后的反應產(chǎn)物復合鋰皂作為稠化劑，將其添加到PAO40中進行稠化，制得復合鋰基脂。

PANI脂的制備：以復合鋰基脂作為基礎脂，向其中添加與其質(zhì)量比為1%的聚苯胺粉末，制得PANI脂。

1.3 銅基銀鍍層材料的制備

采用文獻[4]中的方法制備銅基銀鍍層材料(簡稱銀層材料)，首先在銅基體材料(簡稱銅基材料)上先預鍍，預鍍后將試片再次放入銀鍍液中進行電鍍，得到所需的銀層材料，其中純銀鍍層厚度約為20 μm。銅基材料和銀層材料的硬度分別是125 HV和94 HV。

1.4 分析測試方法

采用北京冠測精電儀器設備有限公司生產(chǎn)的體積表面電阻測試儀測定復合鋰基脂的體積電阻率。采用HLY-200A型回路電阻測試儀測量復合鋰基脂的接觸電阻，擰緊力矩為10 N·m，通電時間為10 s，通電電流為100 A。采用上海精密儀器儀表有限公司生產(chǎn)的JMHV-1000ZCCD顯微硬度儀測量銅基材料和銀層材料的硬度。采用國家標準GBT 5270—2005方法，用彎曲試驗定性測量鍍層的結合力，在Φ1 mm(試片尺寸為100 mm×50 mm×1 mm)的軸上將鍍層試片彎曲180°，反復彎曲直至斷裂，未發(fā)現(xiàn)起皮脫落，證明銀鍍層合格。采用Rigaku日本理學公司生產(chǎn)的X射線衍射(XRD)儀表征銀層材料的物相，采用德國卡爾蔡司公司生產(chǎn)的EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)表征銀層材料的結構。

1.5 載流摩擦學特性測試

采用中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研制的MFT-R4000載流往復摩擦磨損試驗儀進行載流摩擦學性能和導電能力評價，摩擦副為球盤點接觸(上試樣鋼球固定)，振幅為5 mm，頻率為2 Hz；上試樣采用AISI 52100標準試驗鋼球，硬度是705～757 HV，表面粗糙度(Ra)為0.08 μm，直徑為5 mm。下試樣為銅基材料和銀層材料。試驗載流條件：室溫為23～25 ℃、載荷為10 N、頻率為2 Hz、電流(固定電壓)為10 A或電壓(固定電流)為1 V?？疾旄赡Σ翖l件(摩擦副間不加任何潤滑劑時產(chǎn)生的摩擦作用)下和邊界潤滑條件(PANI脂作為潤滑脂涂抹于摩擦副之間，摩擦形式由干摩擦轉變?yōu)橐后w摩擦過程之前的臨界狀態(tài)，是發(fā)生部分表面接觸的潤滑狀況)下銅基材料和銀層材料的摩擦學特性。試驗前后用石油醚分別超聲清洗10 min，每次試驗前涂抹0.2 g PANI脂于摩擦副之間。摩擦因數(shù)由計算機自動記錄，磨痕寬度由光學顯微鏡測得。接觸副的電流由計算機自動記錄，摩擦副的接觸電阻由歐姆定律計算得出。采用德國卡爾蔡司公司生產(chǎn)的ZEISS-EVO-18型掃描電子顯微鏡對試樣磨損表面形貌進行觀察，并用電子能譜(EDS)對試樣磨損表面的主要元素組成進行分析。

2 結果與討論

2.1 PANI脂和銀層材料的表征

復合鋰基脂和PANI脂的基本理化性能見表2。由表2可以看出，PANI脂和復合鋰基脂均有較高的熱穩(wěn)定性(270 ℃)和抗腐蝕能力。但是，與復合鋰基脂相比，PANI脂具有更低的體積電阻率和接觸電阻。

表2 復合鋰基脂和PANI脂的理化性能

銀層材料的XRD圖譜見圖1。銀層材料的衍射峰與Silver-3C衍射峰對應，使用電沉積方法制備的銀的晶體結構為面心立方結構[12]，點陣常數(shù)a=b=c=4.086。由圖1可以看出，所制備的鍍層材料純度較高，無其他晶相。

銀層材料的表面形貌和截面形貌見圖2。由圖2(a)可見，銀鍍層表面較為致密，銀粒密集地排布在鍍層表面，沒有出現(xiàn)空隙缺陷；由圖2(b)可見，銀鍍層與銅基材料連接緊密，說明銀鍍層具有良好的結合力。

圖1 銀層材料的XRD圖譜

圖2 銀層材料的表面形貌和截面形貌

2.2 載流摩擦學性能和導電特性

在載流電壓為1 V、干摩擦和邊界潤滑條件下，銅基材料和銀層材料試驗時摩擦因數(shù)和接觸電阻隨時間的變化曲線見圖3。由圖3(a)可見：在干摩擦條件下，與銀層材料相比，銅基材料試驗時測得較大的摩擦因數(shù)和波動電阻，這是由于純銅在干摩擦條件下表面氧化，導電和導熱能力變差，導致磨損增大；銀層材料的接觸電阻穩(wěn)定且最小，表面抗磨和減摩性能優(yōu)于銅基材料。由圖3(b)可見：在邊界潤滑條件下，因為有PANI脂的作用，兩種材料試驗測得的摩擦因數(shù)大幅度減小，表現(xiàn)出極佳的減摩和抗磨性能；但是，接觸電阻卻稍有提高，這是因為表面的摩擦保護膜提高了接觸電阻。

在無載流(與載流條件相比，無載流條件為摩擦副不通電流，其他條件均相同)和載流條件下，銅基材料和銀層材料試驗后磨痕寬度見表3。由表3可知，銀層材料表面的磨痕寬度均小于銅基材料，說明銅基材料鍍銀后的抗磨性能有較明顯提升，銀層材料具有更優(yōu)異的抗磨性能。

在載流電壓固定、電流為10 A條件下，考察銅基材料和銀層材料的摩擦學性能和接觸電阻。無載流和載流條件下，PANI脂對銅基材料和銀基材料試驗時的摩擦因數(shù)的影響見圖4。由圖4可見，隨著時間的延長，摩擦因數(shù)均不同程度降低，抗磨性能下降。這是由于在一定量的電熱作用下，銀層材料的銀鍍層表面軟化，形成較易剪切的銀膜，降低了摩擦因數(shù)，軟化后的銀層強度降低，導致磨損增大，但銀層的耐磨性仍優(yōu)于銅基材料。

圖3 摩擦因數(shù)與接觸電阻隨時間變化的曲線

表3 不同條件下銅基材料和銀層材料試驗時的磨痕寬度 mm

圖4 PANI脂對銅基材料和銀層材料試驗時摩擦因數(shù)的影響

PANI脂對銀層材料試驗時平均摩擦因數(shù)、接觸電阻和磨痕寬度的影響隨載流電壓變化的曲線見圖5。由圖5可以看出，隨著電壓的上升，平均接觸電阻和摩擦因數(shù)先減小后增加，而磨痕寬度則隨電壓的增加而增大。

圖5 平均摩擦因數(shù)、平均接觸電阻和平均磨痕寬度隨電壓變化曲線

2.3 磨損表面分析

在無載流和載流條件下，PANI脂對潤滑試驗時銅基材料和銀層材料的磨痕表面形貌的影響見圖6。由圖6(a)和圖6(b)可以看出，載流條件下，銅基材料表面磨損加劇，是因為表面熱量增加，強度降低導致表面剪切容易，表面耐磨性降低。由圖6(c)和圖6(d)可以看出，銀層材料摩擦表面相對光滑，僅存在輕微的劃痕，這是因為銀在銅表面形成的致密膜具有好的摩擦學性能，同時PANI脂潤滑也起到了協(xié)同增效作用。

圖6 銅基材料和銀層材料的表面磨痕形貌

基于對銀層材料的摩擦學行為和導電性能的分析認為：當潤滑脂填充于緊密接觸的摩擦副之間時，受熱震蕩或內(nèi)部電場激活的電子能夠通過相對絕緣的薄膜，躍遷到接觸配副上，形成隧道電流；另一方面，PANI脂顆粒有利于在潤滑脂和邊界潤滑膜中形成更多的導電網(wǎng)絡，更有利于電子通過勢壘躍遷到相鄰的導電顆粒上，從而降低了邊界潤滑下的接觸電阻。邊界潤滑下的銀層材料優(yōu)異的減摩抗磨性能歸功于PANI脂在銀層材料的磨痕表面形成了相對穩(wěn)定的邊界潤滑膜，能夠有效地防止摩擦副直接接觸；其次，充斥在接觸表面的聚苯胺顆?？赡茉诨瑒舆^程中起到“微軸承”作用，變滑動摩擦為滾動摩擦；最后，在電熱的作用下，銀層材料摩擦表面局部可能軟化甚至融化[13]，易于剪切滑移，表現(xiàn)出優(yōu)異的載流摩擦學性能。

3 結 論

(1)聚苯胺鋰基潤滑脂具有好的導電性，與復合鋰基脂相比具有更低的體積電阻率。XRD和SEM分析結果表明，銅基銀鍍層材料純度高，無其他晶相，并且結構致密。

(2)載流電壓為1 V或電流為10 A、邊界潤滑條件下，銀層材料試驗時的摩擦因數(shù)和磨痕寬度均小于銅基材料，銀層材料具有更優(yōu)異的減摩和耐磨性能。PANI脂對銀層材料試驗時平均摩擦因數(shù)、接觸電阻和磨痕寬度的影響為：隨載流電壓的上升，平均接觸電阻和摩擦因數(shù)先減小后增加，而磨痕寬度隨電壓增加而增大。

(3)SEM分析結果表明，在無載流和載流條件下，PANI脂潤滑試驗時，銅基材料表面磨損加劇，而銀層材料耐磨性能提高，PANI脂潤滑起到了協(xié)同增效作用。