聚苯胺鋰基潤(rùn)滑脂載流潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)性能

馮 欣，夏延秋

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

潤(rùn)滑脂是油狀半固體，主要用于機(jī)械傳動(dòng)部件的潤(rùn)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(rùn)滑脂統(tǒng)稱為電力復(fù)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(shè)備接線端子連接處的接觸面和開(kāi)關(guān)觸頭的接觸面上，用于導(dǎo)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(dǎo)電性，增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，避免接觸面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[1]。銀作為一種貴金屬，具有良好的延展性，優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，因此常用來(lái)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(rùn)滑性能，精密運(yùn)動(dòng)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(shí)鍍銀層具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)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(duì)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(shí)際需求。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的關(guān)于銀合金復(fù)合鍍層和銀基復(fù)合材料以及銀層的固液潤(rùn)滑研究[5-6]。作為典型的電氣接觸元件的隔離開(kāi)關(guān)在電網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用，但是其正常工作時(shí)會(huì)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(wèn)題[3]，為了提高觸頭減摩、耐磨和導(dǎo)電性能，電力復(fù)合脂用在隔離開(kāi)關(guān)觸頭處，不僅能夠提高潤(rùn)滑性能，而且能夠降低接觸電阻，延長(zhǎng)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(dǎo)電潤(rùn)滑脂添加劑，可顯著提高電力復(fù)合脂的導(dǎo)電性和摩擦學(xué)性能[8-11]。已有的關(guān)于電力復(fù)合脂的研究都是將摩擦與導(dǎo)電分開(kāi)，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(dǎo)電聚合物，具有較好的環(huán)境穩(wěn)定性、可調(diào)控的電導(dǎo)率、優(yōu)異的抗腐蝕性能，本研究將聚苯胺作為導(dǎo)電添加劑，制備了一種電力復(fù)合脂，即聚苯胺鋰基潤(rùn)滑脂(簡(jiǎn)稱PANI脂)，考察在載流條件下，銀鍍層材料在干摩擦和邊界潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能，并討論邊界潤(rùn)滑條件下銀鍍層材料的電磨損機(jī)理和導(dǎo)電機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

銀鍍層的基底材料純銅(純度不小于99.9%)，購(gòu)于上海松佑實(shí)業(yè)有限公司，尺寸為100 mm×50 mm×1 mm；電鍍所需鍍銀溶液購(gòu)于中航工業(yè)洪都集團(tuán)。PAO40(聚α-烯烴)作為基礎(chǔ)油，購(gòu)于昆侖潤(rùn)滑油公司。聚苯胺粉末作為導(dǎo)電添加劑，購(gòu)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(gòu)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(rùn)滑脂的制備

復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂(簡(jiǎn)稱復(fù)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(yīng)產(chǎn)物復(fù)合鋰皂作為稠化劑，將其添加到PAO40中進(jìn)行稠化，制得復(fù)合鋰基脂。

PANI脂的制備：以復(fù)合鋰基脂作為基礎(chǔ)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(xiàn)[4]中的方法制備銅基銀鍍層材料(簡(jiǎn)稱銀層材料)，首先在銅基體材料(簡(jiǎn)稱銅基材料)上先預(yù)鍍，預(yù)鍍后將試片再次放入銀鍍液中進(jìn)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(cè)試方法

采用北京冠測(cè)精電儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的體積表面電阻測(cè)試儀測(cè)定復(fù)合鋰基脂的體積電阻率。采用HLY-200A型回路電阻測(cè)試儀測(cè)量復(fù)合鋰基脂的接觸電阻，擰緊力矩為10 N·m，通電時(shí)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(cè)量銅基材料和銀層材料的硬度。采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 5270—2005方法，用彎曲試驗(yàn)定性測(cè)量鍍層的結(jié)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(fù)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(xué)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(guó)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(jié)構(gòu)。

1.5 載流摩擦學(xué)特性測(cè)試

采用中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的MFT-R4000載流往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀進(jìn)行載流摩擦學(xué)性能和導(dǎo)電能力評(píng)價(jià)，摩擦副為球盤點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)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(yàn)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(rùn)滑劑時(shí)產(chǎn)生的摩擦作用)下和邊界潤(rùn)滑條件(PANI脂作為潤(rùn)滑脂涂抹于摩擦副之間，摩擦形式由干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w摩擦過(guò)程之前的臨界狀態(tài)，是發(fā)生部分表面接觸的潤(rùn)滑狀況)下銅基材料和銀層材料的摩擦學(xué)特性。試驗(yàn)前后用石油醚分別超聲清洗10 min，每次試驗(yàn)前涂抹0.2 g PANI脂于摩擦副之間。摩擦因數(shù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，磨痕寬度由光學(xué)顯微鏡測(cè)得。接觸副的電流由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，摩擦副的接觸電阻由歐姆定律計(jì)算得出。采用德國(guó)卡爾蔡司公司生產(chǎn)的ZEISS-EVO-18型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣磨損表面形貌進(jìn)行觀察，并用電子能譜(EDS)對(duì)試樣磨損表面的主要元素組成進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 PANI脂和銀層材料的表征

復(fù)合鋰基脂和PANI脂的基本理化性能見(jiàn)表2。由表2可以看出，PANI脂和復(fù)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(fù)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(fù)合鋰基脂和PANI脂的理化性能

銀層材料的XRD圖譜見(jiàn)圖1。銀層材料的衍射峰與Silver-3C衍射峰對(duì)應(yīng)，使用電沉積方法制備的銀的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)[12]，點(diǎn)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(wú)其他晶相。

銀層材料的表面形貌和截面形貌見(jiàn)圖2。由圖2(a)可見(jiàn)，銀鍍層表面較為致密，銀粒密集地排布在鍍層表面，沒(méi)有出現(xiàn)空隙缺陷；由圖2(b)可見(jiàn)，銀鍍層與銅基材料連接緊密，說(shuō)明銀鍍層具有良好的結(jié)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(xué)性能和導(dǎo)電特性

在載流電壓為1 V、干摩擦和邊界潤(rùn)滑條件下，銅基材料和銀層材料試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)和接觸電阻隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖3。由圖3(a)可見(jiàn)：在干摩擦條件下，與銀層材料相比，銅基材料試驗(yàn)時(shí)測(cè)得較大的摩擦因數(shù)和波動(dòng)電阻，這是由于純銅在干摩擦條件下表面氧化，導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力變差，導(dǎo)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(jiàn)：在邊界潤(rùn)滑條件下，因?yàn)橛蠵ANI脂的作用，兩種材料試驗(yàn)測(cè)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?yàn)楸砻娴哪Σ帘Ｗo(hù)膜提高了接觸電阻。

在無(wú)載流(與載流條件相比，無(wú)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(yàn)后磨痕寬度見(jiàn)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(shuō)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(xué)性能和接觸電阻。無(wú)載流和載流條件下，PANI脂對(duì)銅基材料和銀基材料試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，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(qiáng)度降低，導(dǎo)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(shí)間變化的曲線

表3 不同條件下銅基材料和銀層材料試驗(yàn)時(shí)的磨痕寬度 mm

圖4 PANI脂對(duì)銅基材料和銀層材料試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)的影響

PANI脂對(duì)銀層材料試驗(yàn)時(shí)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(jiàn)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(wú)載流和載流條件下，PANI脂對(duì)潤(rùn)滑試驗(yàn)時(shí)銅基材料和銀層材料的磨痕表面形貌的影響見(jiàn)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?yàn)楸砻鏌崃吭黾?，?qiáng)度降低導(dǎo)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(duì)光滑，僅存在輕微的劃痕，這是因?yàn)殂y在銅表面形成的致密膜具有好的摩擦學(xué)性能，同時(shí)PANI脂潤(rùn)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(duì)銀層材料的摩擦學(xué)行為和導(dǎo)電性能的分析認(rèn)為：當(dāng)潤(rùn)滑脂填充于緊密接觸的摩擦副之間時(shí)，受熱震蕩或內(nèi)部電場(chǎng)激活的電子能夠通過(guò)相對(duì)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(rùn)滑脂和邊界潤(rùn)滑膜中形成更多的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，更有利于電子通過(guò)勢(shì)壘躍遷到相鄰的導(dǎo)電顆粒上，從而降低了邊界潤(rùn)滑下的接觸電阻。邊界潤(rùn)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(duì)穩(wěn)定的邊界潤(rùn)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粒可能在滑動(dòng)過(guò)程中起到“微軸承”作用，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)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(xué)性能。

3 結(jié) 論

(1)聚苯胺鋰基潤(rùn)滑脂具有好的導(dǎo)電性，與復(fù)合鋰基脂相比具有更低的體積電阻率。XRD和SEM分析結(jié)果表明，銅基銀鍍層材料純度高，無(wú)其他晶相，并且結(jié)構(gòu)致密。

(2)載流電壓為1 V或電流為10 A、邊界潤(rùn)滑條件下，銀層材料試驗(yàn)時(shí)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(duì)銀層材料試驗(yàn)時(shí)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(jié)果表明，在無(wú)載流和載流條件下，PANI脂潤(rùn)滑試驗(yàn)時(shí)，銅基材料表面磨損加劇，而銀層材料耐磨性能提高，PANI脂潤(rùn)滑起到了協(xié)同增效作用。