多孔儲(chǔ)油自潤(rùn)滑材料的制備及其摩擦學(xué)性能研究

張立保 徐行 陳阮鵬 陳浩 舒現(xiàn)維

摘要：多孔儲(chǔ)油自潤(rùn)滑軸承由于其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)可以?xún)?chǔ)存并釋放潤(rùn)滑介質(zhì)，具備良好的摩擦學(xué)性能。本試驗(yàn)制備了不同孔隙直徑聚乳酸（PLA）多孔儲(chǔ)油結(jié)構(gòu)，考察了孔隙直徑大小對(duì)于多孔儲(chǔ)液材料摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)試驗(yàn)載荷和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，多孔儲(chǔ)液自潤(rùn)滑材料的摩擦系數(shù)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?duì)于試樣摩擦系數(shù)峰值點(diǎn)、到達(dá)穩(wěn)定磨損的時(shí)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(guān)鍵詞：多孔儲(chǔ)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(lèi)號(hào)：TB33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0089-03

0? 引言

多孔骨架結(jié)構(gòu)[1][2]在軸承中具有巨大的實(shí)際工程意義，其內(nèi)部有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可以存儲(chǔ)潤(rùn)滑介質(zhì)。在工作狀態(tài)下由于熱效應(yīng)、毛細(xì)管效應(yīng)、離心力和泵吸效應(yīng)[3]，儲(chǔ)存在孔道內(nèi)的潤(rùn)滑介質(zhì)連續(xù)滲出，在接觸面建立起有一定承載能力的、穩(wěn)定的潤(rùn)滑介質(zhì)轉(zhuǎn)移膜，避免摩擦副的直接接觸，當(dāng)工作停止后，由于孔隙的毛細(xì)力以及潤(rùn)滑膜上下邊界壓力差[4]，潤(rùn)滑油又被吸入到孔隙內(nèi)存儲(chǔ)起來(lái)，等待下一次工作析出，循環(huán)往復(fù)，從而延長(zhǎng)材料的使用壽命。其自潤(rùn)滑特性非常適用于供油困難與避免潤(rùn)滑油污染、啟停頻繁的場(chǎng)合，如音響設(shè)備、微小型馬達(dá)、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、縫紉機(jī)等[5]。

本文通過(guò)3D打印技術(shù)[6]制備出不同孔隙直徑（孔徑）的聚乳酸（PLA）多孔儲(chǔ)油材料，研究孔隙直徑大小對(duì)多孔儲(chǔ)油材料的析出特性以及摩擦學(xué)性能。這項(xiàng)工作為多孔儲(chǔ)油自潤(rùn)滑軸承孔隙結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[7]提供了理論指導(dǎo)，也為以后繼續(xù)開(kāi)展多孔儲(chǔ)儲(chǔ)油自潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑承載機(jī)理的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

1? 材料制備以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料制備

本次試驗(yàn)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(qiáng)度：54MPa，屈服強(qiáng)度：70MPa，彈性模量：348MPa。

通過(guò)A3S-3D打印機(jī)（廣州市萬(wàn)標(biāo)電子科技有限公司）制備摩擦試樣，打印機(jī)參數(shù)設(shè)置如，打印溫度：195℃，打印速度20mm/s，填充率：100%。多孔儲(chǔ)液試樣孔隙深度h為3mm，試樣設(shè)計(jì)參數(shù)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(shí)后。在真空泵（飛躍FY-1C-N）內(nèi)抽取真空，排清內(nèi)部孔隙中的氣體，隨后浸油24h，目的為了使內(nèi)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(shù)的PLA多孔儲(chǔ)油材料。

1.2 摩擦試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在MM-2H輕型環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南恒旭試驗(yàn)機(jī)有限公司）進(jìn)行，選用#45作為摩擦對(duì)偶環(huán)，對(duì)摩環(huán)外徑為40mm，式樣尺寸為14mm×7mm×6mm，測(cè)試前將摩擦試樣和對(duì)偶環(huán)用2000目砂紙打磨并用丙酮清洗干凈，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)載荷為40N，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為150r/min，測(cè)試時(shí)間為30min。利用三維形貌儀（美國(guó)NANOWEA公司生產(chǎn)）觀察樣品磨損表面形貌特征。

2? 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)分析

圖1（a）-圖1（e）有孔試樣的摩擦系數(shù)曲線圖。在孔隙直徑小于1.0mm時(shí)，試樣的峰值點(diǎn)依次為0.024、0.031、0.032，呈遞增趨勢(shì)，這是由于孔徑較小，初始階段內(nèi)孔隙內(nèi)儲(chǔ)存的潤(rùn)滑油還未參與到潤(rùn)滑界面或者極少量參與到潤(rùn)滑界面，隨著孔徑的增大，實(shí)際接觸面積降低，真實(shí)接觸壓力增大，表現(xiàn)為峰值點(diǎn)較高。當(dāng)孔隙直徑大于1.0mm時(shí)，摩擦系數(shù)的峰值點(diǎn)分別為0.030、0.027，此時(shí)峰值點(diǎn)逐步下降，這是由于孔徑較大，毛細(xì)力較低，孔隙內(nèi)的潤(rùn)滑液析出量增加，降低摩擦系數(shù)。

圖1（a）-圖1（e）中“一”階段表示為摩擦系數(shù)從峰值點(diǎn)開(kāi)始下降到進(jìn)入穩(wěn)定磨損期。這個(gè)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(qū)動(dòng)作用下從孔隙中滲出到摩擦副表面，參與潤(rùn)滑，導(dǎo)致有孔試樣摩擦系數(shù)快速下降。值得注意的是隨著孔隙直徑的增加，摩擦系數(shù)進(jìn)入穩(wěn)定磨損時(shí)間也越來(lái)越早，依次為880s、810s、750s、300s、290s。這是因?yàn)殡S著孔隙直徑的增加，導(dǎo)致毛細(xì)力的降低，孔隙內(nèi)的潤(rùn)滑油更容易析出到摩擦面參與潤(rùn)滑，從而降低摩擦系數(shù)。圖1（c）-圖1（e）中試樣的摩擦系數(shù)存在二次上升，其中“①”、“②”、“③”，二次下降的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)榭紫秲?nèi)的油液不連續(xù)析出造成的。另外可以預(yù)測(cè)如果運(yùn)行時(shí)間足夠長(zhǎng)，當(dāng)孔隙內(nèi)的潤(rùn)滑油完全消耗掉、磨屑堵塞孔隙“喉道”，或者潤(rùn)滑液沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)力析出到摩擦副表面時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)再次升高，產(chǎn)生第三次上升現(xiàn)象。

圖1所示，穩(wěn)定磨損階段有孔試樣的摩擦系數(shù)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?yàn)殡S著孔隙直徑的增大，摩擦副接觸面積減少，實(shí)際接觸應(yīng)力增加，同時(shí)，孔隙個(gè)數(shù)的減少，減弱了試樣磨屑存儲(chǔ)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(yàn)后試樣的磨損表面形貌圖和輪廓算術(shù)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(shí)最大為30.423μm，而孔徑1.4mm時(shí)，Sa為8.584μm。這說(shuō)明適當(dāng)?shù)目讖娇梢杂行Ы档驮嚇拥哪p，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(shì)，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(chǔ)液試樣在本試驗(yàn)條件下的平均磨損量。在孔徑小于0.8mm的時(shí)候，磨損量比較大，而當(dāng)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?yàn)榭讖降脑黾?，孔隙密度降低，粗糙度降低。表明適當(dāng)?shù)目讖侥芙档湍p，起到良好抗磨效果。

3? 結(jié)論

①利用A3S-3D打印機(jī)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(huì)導(dǎo)致缺陷孔的數(shù)量的增加。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，本試驗(yàn)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(chǔ)液自潤(rùn)滑材料的摩擦系數(shù)和峰值點(diǎn)隨著孔隙直徑的增加先升高再降低，在孔隙直徑比較大時(shí)候，摩擦系數(shù)存在二次下降，二次上升的情況，證明了潤(rùn)滑液在多孔儲(chǔ)液介質(zhì)中的滲流特性隨孔隙直徑參數(shù)不同而改變，呈現(xiàn)非連續(xù)性。選擇適當(dāng)?shù)目讖酱笮】梢詼p小磨損，改善潤(rùn)滑狀態(tài)，本試驗(yàn)?zāi)p量降低最高可達(dá)78.7%。因此有必要將孔隙直徑設(shè)計(jì)作為多孔儲(chǔ)液自潤(rùn)滑軸承的一個(gè)重要考慮因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]王野平，王成燾.天然關(guān)節(jié)及人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑機(jī)理探討[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2001（04）：603-607.

[2]周海宇.關(guān)節(jié)軟骨的生物摩擦學(xué)機(jī)理研究[D].上海交通大學(xué)，2014.

[3]邱優(yōu)香，王齊華，王超，王廷梅.結(jié)構(gòu)可控多孔聚酰亞胺含油薄膜的制備及性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（05）：480-485.

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

[5]范澤文，趙新宇，邱帥，王艷，郭靜，權(quán)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(wèi)紅，孫士平.多孔材料/結(jié)構(gòu)尺度關(guān)聯(lián)的一體化拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2006（04）：522-529.