碳纖維-MoS2復合涂層的高溫摩擦學性能研究*

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(chǎn)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(nèi)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(jīng)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(jīng)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(nèi)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(nèi)部的碳纖維網(wǎng)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(nèi)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(nèi)部產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)生了明顯的犁皺現(xiàn)象，且涂層內(nèi)部產(chǎn)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(nèi)，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(chǎn)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(nèi)部形成網(wǎng)狀骨架結構，構成傳熱網(wǎng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部形成完整的耐磨結構，同時CF傳熱網(wǎng)絡不完整，導致涂層內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)絡仍不完整，在高溫下部分CF和樹脂會產(chǎn)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(nèi)部的CF網(wǎng)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(chǎn)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(nèi)部的CF出現(xiàn)了聚集性分布，在高溫下涂層內(nèi)部產(chǎn)生較多的熱應力，使得樹脂產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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。