多孔儲油自潤滑材料的制備及其摩擦學性能研究

張立保 徐行 陳阮鵬 陳浩 舒現維

摘要：多孔儲油自潤滑軸承由于其內部的孔隙結構可以儲存并釋放潤滑介質，具備良好的摩擦學性能。本試驗制備了不同孔隙直徑聚乳酸（PLA）多孔儲油結構，考察了孔隙直徑大小對于多孔儲液材料摩擦學性能的影響。結果表明：當試驗載荷和轉速一定時，多孔儲液自潤滑材料的摩擦系數隨著孔隙直徑的增加而升高，變化幅度也明顯升高?？紫吨睆降拇笮τ谠嚇幽Σ料禂捣逯迭c、到達穩定磨損的時間、磨損量也有一定的影響。

Abstract： Porous self-lubricating bearing has good tribological properties because of its internal pore structure， which can store and release lubricating media. Polylactic acid （PLA） porous oil storage structures with different pore diameters were prepared， and the effect of pore diameter on the tribological properties of porous reservoir materials was investigated. The results show that the friction coefficient of porous reservoir self-lubricating material increases with the increase of pore diameter and the variation range increases obviously when the test load and rotation speed are constant. The size of pore diameter also has some influence on the peak point of friction coefficient， the time to reach stable wear and the wear amount.

關鍵詞：多孔儲油;3D打印;孔徑;摩擦磨損

Key words： porous oil storage;3D Printing;pore size;friction and wear

中圖分類號：TB33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0089-03

0? 引言

多孔骨架結構[1][2]在軸承中具有巨大的實際工程意義，其內部有豐富的孔隙結構，可以存儲潤滑介質。在工作狀態下由于熱效應、毛細管效應、離心力和泵吸效應[3]，儲存在孔道內的潤滑介質連續滲出，在接觸面建立起有一定承載能力的、穩定的潤滑介質轉移膜，避免摩擦副的直接接觸，當工作停止后，由于孔隙的毛細力以及潤滑膜上下邊界壓力差[4]，潤滑油又被吸入到孔隙內存儲起來，等待下一次工作析出，循環往復，從而延長材料的使用壽命。其自潤滑特性非常適用于供油困難與避免潤滑油污染、啟停頻繁的場合，如音響設備、微小型馬達、洗衣機、電風扇、縫紉機等[5]。

本文通過3D打印技術[6]制備出不同孔隙直徑（孔徑）的聚乳酸（PLA）多孔儲油材料，研究孔隙直徑大小對多孔儲油材料的析出特性以及摩擦學性能。這項工作為多孔儲油自潤滑軸承孔隙結構的拓撲優化設計[7]提供了理論指導，也為以后繼續開展多孔儲儲油自潤滑軸承的潤滑承載機理的研究奠定了理論基礎。

1? 材料制備以及實驗設計

1.1 試驗材料制備

本次試驗采用直徑為1.75mm的聚乳酸（PLA）線材， PLA材料密度：1.25g·cm-3，抗拉強度：54MPa，屈服強度：70MPa，彈性模量：348MPa。

通過A3S-3D打印機（廣州市萬標電子科技有限公司）制備摩擦試樣，打印機參數設置如，打印溫度：195℃，打印速度20mm/s，填充率：100%。多孔儲液試樣孔隙深度h為3mm，試樣設計參數如表1。將制備好的PLA多孔試樣置于超聲波清洗器中清洗，然后置于干燥箱中50℃干燥5小時后。在真空泵（飛躍FY-1C-N）內抽取真空，排清內部孔隙中的氣體，隨后浸油24h，目的為了使內部孔隙在大程度上接近飽和，用棉布擦掉材料表面吸附的油液，得到不同孔隙參數的PLA多孔儲油材料。

1.2 摩擦試驗設計

試驗在MM-2H輕型環塊摩擦磨損試驗機（濟南恒旭試驗機有限公司）進行，選用#45作為摩擦對偶環，對摩環外徑為40mm，式樣尺寸為14mm×7mm×6mm，測試前將摩擦試樣和對偶環用2000目砂紙打磨并用丙酮清洗干凈，實驗溫度為室溫，試驗載荷為40N，試驗轉速為150r/min，測試時間為30min。利用三維形貌儀（美國NANOWEA公司生產）觀察樣品磨損表面形貌特征。

2? 結果與討論

2.1 摩擦系數分析

圖1（a）-圖1（e）有孔試樣的摩擦系數曲線圖。在孔隙直徑小于1.0mm時，試樣的峰值點依次為0.024、0.031、0.032，呈遞增趨勢，這是由于孔徑較小，初始階段內孔隙內儲存的潤滑油還未參與到潤滑界面或者極少量參與到潤滑界面，隨著孔徑的增大，實際接觸面積降低，真實接觸壓力增大，表現為峰值點較高。當孔隙直徑大于1.0mm時，摩擦系數的峰值點分別為0.030、0.027，此時峰值點逐步下降，這是由于孔徑較大，毛細力較低，孔隙內的潤滑液析出量增加，降低摩擦系數。

圖1（a）-圖1（e）中“一”階段表示為摩擦系數從峰值點開始下降到進入穩定磨損期。這個階段由于孔隙中貯存的油液在泵吸力、溫度以及離心力的驅動作用下從孔隙中滲出到摩擦副表面，參與潤滑，導致有孔試樣摩擦系數快速下降。值得注意的是隨著孔隙直徑的增加，摩擦系數進入穩定磨損時間也越來越早，依次為880s、810s、750s、300s、290s。這是因為隨著孔隙直徑的增加，導致毛細力的降低，孔隙內的潤滑油更容易析出到摩擦面參與潤滑，從而降低摩擦系數。圖1（c）-圖1（e）中試樣的摩擦系數存在二次上升，其中“①”、“②”、“③”，二次下降的現象，這可能是因為孔隙內的油液不連續析出造成的。另外可以預測如果運行時間足夠長，當孔隙內的潤滑油完全消耗掉、磨屑堵塞孔隙“喉道”，或者潤滑液沒有足夠的驅動力析出到摩擦副表面時，摩擦系數會再次升高，產生第三次上升現象。

圖1所示，穩定磨損階段有孔試樣的摩擦系數隨著孔隙直徑的增加，依次為0.0125、0.0144、0.0151、0.0162、0.0200。這是因為隨著孔隙直徑的增大，摩擦副接觸面積減少，實際接觸應力增加，同時，孔隙個數的減少，減弱了試樣磨屑存儲能力。

2.2 磨損形貌和磨損率分析

圖2、圖3所示為摩擦試驗后試樣的磨損表面形貌圖和輪廓算術平均偏差（Sa）、峭度（Sku），Sa值表征表面粗糙度，可以反映試樣的摩擦磨損情況，Sku值表示粗糙峰的尖銳程度。圖3（a）所示，Sa值隨著孔徑的增加而先升高再降低，其中孔徑1.0mm時最大為30.423μm，而孔徑1.4mm時，Sa為8.584μm。這說明適當的孔徑可以有效降低試樣的磨損，提高耐磨性。圖3（b）Sku值表示粗糙峰的尖銳程度，隨著孔徑的增加，試樣的Sku值呈上升的趨勢，粗糙峰尖銳度越高，越加劇磨損。

圖4為不同孔徑和孔距的多孔儲液試樣在本試驗條件下的平均磨損量。在孔徑小于0.8mm的時候，磨損量比較大，而當孔徑大于0.8mm磨損量大幅降低，其中孔徑1.0mm與孔徑0.6mm相比，磨損量降低了78.7%。這是因為孔徑的增加，孔隙密度降低，粗糙度降低。表明適當的孔徑能降低磨損，起到良好抗磨效果。

3? 結論

①利用A3S-3D打印機打印試樣，體積偏差率隨著打印溫度的升高而增加，打印速度的增加則會導致缺陷孔的數量的增加。經過驗證，本試驗的最佳打印速度：20mm/s，打印溫度：195℃，試樣的成型精度最高。

②在相同工況下，多孔儲液自潤滑材料的摩擦系數和峰值點隨著孔隙直徑的增加先升高再降低，在孔隙直徑比較大時候，摩擦系數存在二次下降，二次上升的情況，證明了潤滑液在多孔儲液介質中的滲流特性隨孔隙直徑參數不同而改變，呈現非連續性。選擇適當的孔徑大小可以減小磨損，改善潤滑狀態，本試驗磨損量降低最高可達78.7%。因此有必要將孔隙直徑設計作為多孔儲液自潤滑軸承的一個重要考慮因素。

參考文獻：

[1]王野平，王成燾.天然關節及人工關節的潤滑機理探討[J].生物醫學工程學雜志，2001（04）：603-607.

[2]周海宇.關節軟骨的生物摩擦學機理研究[D].上海交通大學，2014.

[3]邱優香，王齊華，王超，王廷梅.結構可控多孔聚酰亞胺含油薄膜的制備及性能研究[J].摩擦學學報，2012，32（05）：480-485.

[4]趙華俊.采用多孔聚酰亞胺提高滾動軸承貧油潤滑性能的研究[D].南京航空航天大學，2017.

[5]范澤文，趙新宇，邱帥，王艷，郭靜，權慧欣，徐蘭娟.聚乳酸/聚乙二醇/羥基磷灰石多孔骨支架的3D打印制備及其生物相容性研究[J/OL].材料工程，2020（09）：1-9.

[6]Xiaomei Sun， Tao Zeng， Yikai Zhou， et al. 3D printing of porous SiC ceramics added with SiO 2 hollow microspheres. 2020， 46（14）：22797-22804.

[7]張衛紅，孫士平.多孔材料/結構尺度關聯的一體化拓撲優化技術[J].力學學報，2006（04）：522-529.