高 陽 劉思思 廖君慧 劉春榮 劉金剛

(1.湘潭大學機械工程與力學學院 湖南湘潭 411105；2.湖南江濱機器(集團)有限責任公司 湖南湘潭 411100)

二硫化鉬(MoS2)化學性質穩(wěn)定，能夠在復雜的環(huán)境中發(fā)揮穩(wěn)定的潤滑性能，是目前應用最廣的固體潤滑劑之一[1-2]。然而MoS2不具備良好的耐磨性，在長時間磨損下MoS2涂層容易失效，而引入一種增強材料來提升涂層的耐磨性能是一種有效手段。碳纖維由于其具有優(yōu)異的力學性能，被廣泛用作復合物的增強材料。楊光遠[3]使用2種改性碳纖維作為增強相制備了酚醛樹脂基復合材料，發(fā)現(xiàn)碳纖維有效地增加了復合材料的抗氧化性能。劉高尚等[4]在水性聚酰胺酰亞胺涂層中添加碳纖維，發(fā)現(xiàn)添加碳纖維的涂層的耐磨性能有很大的提升。KIM等[5]提出了一種適用于碳纖維增強塑料CFRP復合材料的新型、簡單、有效的氧化鋁基熱障涂層(TBC)，將有助于擴大復合材料在高溫條件下的應用。李為民等[6]采用碳纖維顆粒對超疏水復合涂層進行增強，發(fā)現(xiàn)添加碳纖維顆粒后涂層的耐磨性能有了明顯的提高。翁藝航等[7]在高低溫循環(huán)的條件下對碳纖維基底真空沉積涂層進行了試驗，發(fā)現(xiàn)該涂層可以在高低溫循環(huán)的環(huán)境下可靠地工作。李靜等人[8]通過在復合散熱涂料中加入碳纖維，發(fā)現(xiàn)適量的碳纖維可以保證涂層的耐高溫性。FU等[9]發(fā)現(xiàn)在PEEK中加入不銹鋼纖維和碳纖維可使得復合材料在高溫下具有良好的穩(wěn)定性。梁磊等人[10]發(fā)現(xiàn)碳纖維增強的環(huán)氧樹脂復合材料具有較好的耐熱性能。GUO等[11]通過研究表明了隨著溫度的變化，碳纖維與環(huán)氧涂料之間的物理化學相互作用對碳纖維力學性能產生了一定的影響。目前，環(huán)氧碳纖維復合材料在碳纖維復合材料中的應用高達90%[12]，它是以樹脂為基體、碳纖維為增強材料的一種新型材料，具有比強度高、密度低、耐摩擦、抗疲勞、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點[13-20]。本文作者研究使用的MoS2涂料主要成分為樹脂及MoS2，因此可以在涂料中添加納米碳纖維來制備高性能復合涂層，通過優(yōu)化涂層的成分來提升涂層在復雜工況下耐磨、抗高溫變形等性能，從而延長涂層的使用壽命，保護機器的關鍵零部件[21-24]。上述研究表明，添加碳纖維的復合涂層的耐磨性能、耐熱性能能夠得到一定的提升，但其在高溫下的磨損機制還有待進一步分析研究。

為了探究納米碳纖維對MoS2涂料摩擦學性能的影響，本文作者通過添加不同比例納米碳纖維制備了MoS2復合涂層，在不同溫度下對復合涂層進行摩擦磨損實驗，得到碳纖維的最優(yōu)添加比例，并進一步分析了該復合涂層的磨損機制。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗材料包括納米碳纖維(Carbon Fiber,CF)、MoS2涂料(主要成分為MoS2與環(huán)氧樹脂)、鋁合金基體。其中CF由北京德科島金科技有限公司提供，MoS2涂料由湖南新潤特材料有限公司提供，鋁合金樣塊由湖南江濱機器(集團)有限責任公司提供。

1.2 涂料制備

按比例稱量 MoS2涂料、CF，初步混合后，置于磁力攪拌器上攪拌0.5 h。攪拌完成后，將涂料靜置24 h，待其內部空氣排出后，得到MoS2復合涂料試樣。采用上述方法分別制備了CF質量分數(shù)為0、0.5%、1%、1.5%、2%的復合涂料試樣。

1.3 涂層制備

試驗基體為10 mm×10 mm×5 mm的鋁合金樣塊。預制備涂層的樣塊表面先經過精磨，并且在磷酸鹽溶液中進行磷化處理，然后將攪拌均勻且去除空氣的復合涂料刷涂至樣塊表面。刮板刮涂速度為0.1 m/s，涂層厚度為(80±10)μm，并在200 ℃條件下固化2 h，具體制備流程如圖1所示。

圖1 涂層制備工藝

1.4 結構及性能測試

采用場掃描電鏡SEM(Sigma500，ZEISS)對CF及MoS2粉末進行形貌分析。采用綜合摩擦磨損測試儀(CFT-I，蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司)在不同溫度下考察涂層摩擦學性能。采用超景深顯微鏡(VH-2000C，Keyence)對涂層表面宏觀磨痕形貌進行分析并對其磨痕深度進行測量。

采用高速往復摩擦磨損試驗機開展摩擦試驗，上試樣為直徑5 mm的鋼球，下試樣為試驗樣塊。試驗在干摩擦條件下進行，采用往復點接觸模式，載荷為5 N，速度為300 r/min，對摩時間為30 min，試驗溫度分別為20、50、100、200 ℃。

2 結果及討論

2.1 粉末形貌

經SEM觀測，CF和MoS2粉末的形貌如圖2所示。CF為柱狀結構，長度150～300 μm，直徑30～50 nm。MoS2為不規(guī)則層狀結構，顆粒尺寸5～10 μm。

圖2 CF和MoS2粉末SEM形貌

2.2 摩擦學性能

2.2.1 CF含量對涂層摩擦因數(shù)的影響

圖3所示為5 N載荷及干摩擦條件下，不同質量分數(shù)CF增強涂層在不同溫度下的平均摩擦因數(shù)。在溫度為20～100 ℃時，溫度對涂層整體性能的影響較小，因此摩擦因數(shù)在該溫度范圍內變化規(guī)律基本一致。涂層的摩擦因數(shù)隨CF質量分數(shù)的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在CF質量分數(shù)為1.5%時涂層的摩擦因數(shù)最大，這是因為涂層內部的碳纖維網狀骨架結構[8]在增強耐磨性的同時增大了切向應力，導致涂層表面的摩擦因數(shù)增大。而當CF質量分數(shù)為2%時，由于CF含量過大，使得涂層樹脂與纖維結合強度減弱，導致涂層表面樹脂脫落較為容易，在摩擦過程中涂層內部出現(xiàn)層間滑動，從而使得摩擦因數(shù)有了一定的減小，但此時磨損會加劇。當溫度為200 ℃時，涂層摩擦因數(shù)隨CF質量分數(shù)的增大不斷增大，當CF質量分數(shù)為2%時，在高溫下涂層內部產生較多的熱應力，涂層的軟化效應使得摩擦副間的黏著性能增強，同時磨屑中含有大量的CF，MoS2自潤滑效果下降，共同導致了涂層的摩擦因數(shù)增大。

圖3 涂層在5 N載荷及不同溫度下的平均摩擦因數(shù)

2.2.2 CF含量對涂層磨損性能的影響

在不同溫度下，對添加不同質量分數(shù)CF的涂層進行磨損性能分析，各試件表面涂層磨痕深度如圖4所示。在不同試驗溫度下，隨涂層中CF質量分數(shù)的增加，涂層的磨痕深度先增大后逐漸減小，在CF質量分數(shù)增大至2%時，涂層的磨痕深度再次增大。在0.5%～1.5%范圍內隨CF質量分數(shù)的增加，涂層的磨痕深度逐漸減小，即涂層的耐磨性能逐漸增強。但在CF質量分數(shù)為0.5%～1%時，磨痕深度均大于未添加CF的涂層。當CF質量分數(shù)繼續(xù)增大至2%時，涂層的磨痕深度開始增大，即涂層耐磨性能下降。當溫度在100 ℃以下時，不同涂層磨痕深度變化趨勢大致一致，即隨著溫度的升高，磨痕深度先略微降低后增大，這同樣是由于摩擦過程中涂層內部出現(xiàn)層間滑動，導致磨損加劇。然而當溫度為200 ℃時，磨痕深度大幅增大，且不同CF質量分數(shù)對磨痕深度的影響顯著。如CF質量分數(shù)為1.5%時，涂層磨痕深度相較0.5%、1%、2%的涂層磨痕深度降低了50%以上(即平均磨痕深度從(85±5)μm減小為38.7 μm)，與未添加CF的涂層磨痕深度(64.2 μm)相比減小了39.7%。為了分析高溫條件下涂層的磨損規(guī)律，需要進一步探究200 ℃時添加不同CF質量分數(shù)涂層的磨損性能。

圖4 不同溫度下的涂層磨痕深度

2.3 高溫下涂層磨損機制分析

圖5所示為200 ℃高溫下，不同CF質量分數(shù)增強涂層的磨損形貌。圖6所示為涂層磨痕的三維形貌。由圖5(a)可以看出，未添加CF的涂層的磨痕兩端有明顯的犁皺和少量微裂紋，但其并沒有被磨穿至基體，這表明該涂層在高溫下會產生一定變形。由圖5(b)可以看出，CF質量分數(shù)為0.5%的涂層出現(xiàn)了較大面積的磨損，磨痕邊緣出現(xiàn)了不規(guī)則變形，并且已經磨損至基體，基體表面出現(xiàn)了明顯的劃痕。在摩擦過程中，涂層產生了明顯的犁皺現(xiàn)象，且涂層內部產生了與滑動速度方向垂直的微裂紋。由圖5(c)可以看出，CF質量分數(shù)1%的涂層磨損變形程度有所減小，在相同磨損時間內，基體表面磨痕減輕，這表明涂層的抗高溫變形能力和耐磨性能逐漸增強，但犁皺現(xiàn)象仍然明顯。由圖5(d)可以看出，CF質量分數(shù)為1.5%的涂層其磨損程度最低，涂層的磨痕兩端產生了少量裂紋，且未出現(xiàn)明顯的犁皺現(xiàn)象，表明此時涂層的抗高溫變形能力得到顯著提高。當CF質量分數(shù)增大至2%時，如圖5(e)所示，涂層在高溫下的磨損變形最大，且基體表面磨痕長度最長，此時涂層的抗高溫變形能力與耐磨性能急劇下降。由圖6可知，涂層磨痕上下兩側的犁皺高度出現(xiàn)了較大變化。CF質量分數(shù)從0.5%增加至1.5%時，犁皺高度逐漸減小，當CF質量分數(shù)繼續(xù)增大至2%時，犁皺高度突然增大。CF質量分數(shù)為0、0.5%、1%、1.5%、2%的涂層的犁皺高度分別為37.52、129.6、80.38、28.02、140.1 μm，即CF質量分數(shù)為1.5%時，涂層的犁皺高度最小，相比未添加CF的涂層，降低了24.6%。

圖5 高溫下涂層的磨損形貌

圖6 200 ℃下涂層磨痕三維形貌

由于在200 ℃時，CF質量分數(shù)分別為0.5%、1%、2%的涂層被磨穿至基體，因此需要結合圖5中磨痕與其周圍的變形區(qū)的綜合磨損變形面積來綜合評價涂層的耐磨性與耐熱性。由圖7可知，未添加CF的涂層的磨損變形面積為7.39 mm2；CF質量分數(shù)從0.5%增加至1.5%時，涂層的磨損變形面積逐漸減小為5.79 mm2；CF質量分數(shù)為2%時，涂層的磨損變形面積為13.55 mm2。CF質量分數(shù)為1.5%的涂層的磨損變形面積相較于未添加CF的涂層減少了21.6%。

圖7 200 ℃下涂層的磨損變形面積

由于碳纖維能夠在涂層內部形成網狀骨架結構，構成傳熱網絡[8]，因此在200 ℃高溫條件下，CF質量分數(shù)對涂層耐熱性能和耐磨性能影響較大。圖8所示為高溫下涂層內部熱量傳導示意圖。未添加CF的涂層，其為一個完整的涂層，內部不會出現(xiàn)溫差，在磨痕深度、變形程度上相對于添加0.5%CF涂層較小。由圖8(a)可知，由于CF的添加量太少，并不能在涂層內部形成完整的耐磨結構，同時CF傳熱網絡不完整，導致涂層內部的CF分布區(qū)域與未分布區(qū)域出現(xiàn)溫差，使得該涂層在高溫下的磨損變形大于未添加涂層。由圖8(b)可知，當CF質量分數(shù)增加至1%，依靠CF的傳熱網絡在逐漸完善，使得涂層在高溫下的磨損變形減小。然而由于傳熱網絡仍不完整，在高溫下部分CF和樹脂會產生熱應力而分離，從而在磨損過程中出現(xiàn)裂紋。由圖8(c)可知，當CF質量分數(shù)增加到1.5%時，涂層內部的CF網絡較為均勻，能夠較好地傳遞熱量，從而可以減少由于局部熱應力集中導致的樹脂和纖維脫黏產生的裂紋，使得涂層在高溫下保持了良好的穩(wěn)定性，磨損變形相對于其他幾種試樣較小。由圖8(d)可知，當CF質量分數(shù)增加至2%時，因涂層內部的CF出現(xiàn)了聚集性分布，在高溫下涂層內部產生較多的熱應力，使得樹脂產生一定程度的軟化，進而導致了樹脂和纖維脫黏，涂層的耐磨、耐熱性能迅速下降。

圖8 高溫下涂層內部熱量傳導示意

綜上所述，CF質量分數(shù)為1.5%的涂層因為內部CF的分布及其組成的結構較為合理，在200 ℃時，能夠保證涂層內部的結構穩(wěn)定，相較于其他CF增強涂層，具有更好的耐磨性能和抗高溫變形能力。

3 結論

(1)在溫度為20～100 ℃時，溫度對涂層整體性能的影響較小，涂層的摩擦因數(shù)隨CF質量分數(shù)的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在CF質量分數(shù)為1.5%時涂層的摩擦因數(shù)最大；當溫度為200 ℃時，涂層摩擦因數(shù)隨CF質量分數(shù)的增大不斷增大。

(2)在溫度為20～100 ℃時，涂層磨痕深度隨CF質量分數(shù)的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，當CF質量分數(shù)為1.5%時涂層的磨痕深度最?。划敎囟葹?00 ℃時，磨痕深度大幅增大，且不同CF質量分數(shù)對磨痕深度的影響顯著，當CF質量分數(shù)為1.5%時，涂層可以穩(wěn)定發(fā)揮作用，其磨痕深度最小，耐磨性能最好。

(3)添加不同質量分數(shù)CF的涂層，在200 ℃下表現(xiàn)出不同的抗高溫變形能力，當CF質量分數(shù)為1.5%時磨損變形面積最小，抗變形能力最強。