金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料及其摩擦性能研究進展*

林羽東 黃齊韌 郭智威

(1.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 湖北武漢 430063;2.國家水運安全工程技術(shù)研究中心,可靠性工程研究所 湖北武漢 430063)

隨著我國綜合國力的不斷增強，在工業(yè)化過程中如何實現(xiàn)能源的高效利用便成為了迫切需要克服的一大難題。而摩擦磨損所帶來的問題是工業(yè)化過程中所不能忽視的，其不僅會導(dǎo)致不必要的能量損耗還會造成機械零部件的失效。目前能有效解決此類問題的其中一個方法是在摩擦副表面賦予一層減摩耐磨的薄膜或涂層[1]。傳統(tǒng)潤滑多是通過利用潤滑油、潤滑脂等作為潤滑介質(zhì)進行降摩減磨，而隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷進步與現(xiàn)代化科技的持續(xù)發(fā)展，越來越多的摩擦副要求在真空、高溫和重載等苛刻工況條件下工作，而由于受限于高蒸汽壓、低使用溫度、低承載等特點，潤滑油脂難以適用于這些極端環(huán)境下的潤滑[1-2]。

為解決上述問題，人們將固體潤滑劑加工并作用于摩擦界面，通過固體潤滑劑的作用降低摩擦并減少磨損，從而改善材料的摩擦環(huán)境。這種利用固體潤滑劑對摩擦界面進行潤滑的技術(shù)統(tǒng)稱為固體潤滑技術(shù)[3]。目前人們所使用的固體潤滑劑種類很多，潤滑機制也不盡相同。常見的自潤滑介質(zhì)包括石墨、MoS2、PTFE、WS2等。而通過將自潤滑型復(fù)合材料與金屬材料進行混合制成金屬襯背型復(fù)合材料不僅能有效實現(xiàn)輕量化，并保證結(jié)構(gòu)強度[4]，而且其自潤滑涂層還可以提供良好減摩耐磨性能，是一種較為理想的摩擦自潤滑復(fù)合材料。

本文作者評述近年來金屬襯背型自潤滑復(fù)合材摩擦特性的研究進展，并對金屬背襯復(fù)合材摩擦特性研究的發(fā)展方向進行展望。

1 金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料

圖1所示為金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料既能使基體金屬的性質(zhì)得以保留與發(fā)揮，同時也使置于金屬襯背上固體潤滑劑的優(yōu)良性能得以表現(xiàn)[5]。一般來說，復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能是由每個組分的特性所共同決定的。由于金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料基于不同的制備工藝而分為不同的形式，故其組分也略有異同。目前其制備工藝大致分為膠結(jié)成型、激光熔覆、微弧氧化、粉末冶金等，其中基于界面膠結(jié)成型的纖維織物樹脂基金屬襯背復(fù)合材料，其組分主要包括金屬襯背、樹脂黏接劑、纖維織物與填料等；基于微弧氧化、激光熔覆、金屬燒結(jié)等工藝制備的復(fù)合材料，其組分主要為金屬襯背與填料等。

圖1 金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)Fig 1 The structure of metal-backed self-lubricating composite

在不易或無法進行油脂更換，或在摻雜水、空氣、雜質(zhì)、熱能等較易使油脂產(chǎn)生氧化變質(zhì)的工作環(huán)境如船舶甲板機械、電機、船舶液壓設(shè)備中，使用自潤滑軸承能更大程度上保證機械工作的穩(wěn)定性與安全性。

1.1 金屬襯背

自潤滑材料軸承技術(shù)是目前潤滑技術(shù)的一大發(fā)展趨勢，開發(fā)力學(xué)強度高和摩擦學(xué)性能好的自潤滑復(fù)合材料成為摩擦學(xué)領(lǐng)域的重要熱點[6]。

金屬襯背在復(fù)合材料中主要起支撐與強化作用，基于不同的金屬種類，其能提供良好的機械強度、韌性與硬度；同時不同金屬的導(dǎo)電性能和高溫性能也會對復(fù)合材料的綜合性能帶來顯著影響，進而也能很大程度上影響復(fù)合材料的摩擦磨損性能[7]。目前，研究和應(yīng)用廣泛的固體自潤滑復(fù)合材料金屬襯背有銅基、鋁基、鈦基、鋼基等。

CABEZAS-VILLA等[8]通過在銅基板上固態(tài)燒結(jié)制備了Cu-WC涂層，通過觀察其橫截面微觀組織發(fā)現(xiàn)：當(dāng)WC體積分?jǐn)?shù)大于20%時顆粒會發(fā)生團聚進而導(dǎo)致復(fù)合材料孔隙率較大，導(dǎo)致其摩擦學(xué)特性不夠理想；當(dāng)增強顆粒的體積分?jǐn)?shù)超過10%時復(fù)合材料摩擦因數(shù)基本較高(而5%與20%除外)；材料磨損率在大部分情況下隨著載荷的增加而增加，但發(fā)現(xiàn)當(dāng)增強顆粒填充20%時其耐磨性有所增強，分析其原因是作為第二相的增強硬質(zhì)顆?？梢猿洚?dāng)負(fù)載載體，阻礙軟質(zhì)基質(zhì)的流動并減少了材料的損失。

王玉潔等[9]通過微弧氧化在LY12鋁合金表面制備了Al2O3/BN自潤滑復(fù)合膜層，通過實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)材料中BN顆粒體積分?jǐn)?shù)較低時，隨著BN顆粒體積分?jǐn)?shù)與摩擦持續(xù)時間的增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)有明顯下降的趨勢；當(dāng)BN體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%，摩擦?xí)r間達(dá)到120 min時，摩擦過程相對穩(wěn)定，摩擦因數(shù)也基本不再變化。

張年龍等[10]通過預(yù)置B4C和石墨混合合金化粉末，使用激光表面合金化技術(shù)在鈦合金表面制備了一層TiB2-TiC陶瓷涂層，通過使用SEM觀察和實驗發(fā)現(xiàn)：陶瓷涂層與基體結(jié)合良好，陶瓷層由多相組成并起協(xié)同作用，其平均硬度為基體的4.7～5.3倍，磨損率僅為基體的1/20～1/25；由于加入了石墨，其潤滑性也得到增強，涂層的摩擦因數(shù)僅為基體的2/5～1/2。

MUNAGALA等[11]通過冷噴涂在低碳鋼基底上沉積了Ti3Al4V涂層和Ti3Al4V-TiC金屬基復(fù)合材料涂層,并研究了其在25～575 ℃環(huán)境中的干摩擦特性，結(jié)果表明：在高溫條件下，2種復(fù)合材料的摩擦軌跡上生成了由TiO2、WO3和CoWO4組成的氧化釉層，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的磨損率在高溫下較低；2種復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨溫度的升高而降低，在200 ℃以下，兩者的摩擦因數(shù)不會隨溫度而發(fā)生顯著變化，而在較高溫度的情況下，由于生成了氧化釉層增強了潤滑，摩擦因數(shù)因此得到了降低。

通過復(fù)合金屬襯背，材料往往能被賦予更優(yōu)秀的力學(xué)性能。從上述學(xué)者的研究結(jié)果不難看出：潤滑填料與金屬間通過互相補償，一方面能使材料的硬度得到提升，從而降低其磨損率；另一方面潤滑填料的存在能使材料摩擦因數(shù)相比純金屬得到大幅下降。除此之外，金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料對金屬襯背的種類沒有太多的限制，且不需對其進行過多的處理，使其制作較為方便。值得指出的是，由于科技的不斷發(fā)展與技術(shù)的進步，應(yīng)用于不同場所的材料在機械性能與輕量化方面提出了更高的要求，且目前沒有一種金屬襯背能在較寬的溫度范圍下適用，這兩點將是日后金屬襯背的研究重點。

1.2 填料

填料的加入能夠進一步改善復(fù)合材料的熱性能、力學(xué)性能和摩擦磨損性能等機械物理性能。如石墨、PTFE 、MoS2、UHMWPE等填料具有良好的自潤滑作用，在摩擦過程中能通過分子間剪切和滑移作用粘附在對偶材料上并在對偶表面形成一層低摩擦因數(shù)轉(zhuǎn)移膜，使摩擦過程轉(zhuǎn)為潤滑填料間的對磨，從而降低復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率[12]。

錢剛[13]通過粉末冶金熱壓制備了Cu-C-WS2(銅-石墨-二硫化鎢)復(fù)合材料，并通過改變其中石墨和WS2的含量進一步探究了其滑動電磨損特性，結(jié)果表明：復(fù)合材料中石墨與WS2能通過產(chǎn)生固體潤滑膜協(xié)同潤滑；WS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在10%～15%時能獲得較好的摩擦學(xué)特性，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%石墨與10%WS2的加入能使材料綜合摩擦磨損性能達(dá)到最佳。

甄明暉等[14]用納米蒙脫土對PTFE進行改性，通過模壓/燒結(jié)工藝制備了PTFE/鋁合金鑲嵌型自潤滑復(fù)合材料,并與PTFE非鑲嵌型自潤滑復(fù)合材料試樣進行了對比，結(jié)果表明：其導(dǎo)熱性與耐磨性與非鑲嵌型復(fù)合材料相比較優(yōu)，而在達(dá)到穩(wěn)定磨損狀態(tài)后，對偶面上形成了穩(wěn)定的潤滑膜，摩擦因數(shù)為0.087?？梢?，摩擦因數(shù)沒有隨著鋁合金背襯的加入而明顯增加，表明兩者結(jié)合發(fā)揮了鋁合金背襯的導(dǎo)熱性與PTFE優(yōu)秀的潤滑性能。

孫瑞敏等[15]研究發(fā)現(xiàn)，無機填料和金屬氧化物填料如TiO2、ZrO2、SiC和CuO 、ZnO等材料，填充到不同的聚合物基體中能明顯增加其耐磨性。

ABD-ELWAHED等[16]通過粉末冶金方法制備了Ti-ZrO2納米復(fù)合材料，通過改變ZrO2在復(fù)合材料中的含量，發(fā)現(xiàn)隨著Ti基體中ZrO2含量的增加，復(fù)合材料晶粒尺寸減小，從而提高了其硬度，磨損率也相應(yīng)降低；而載荷的增加會導(dǎo)致復(fù)合材料中壓痕深度的增加，從而使摩擦因數(shù)上升。

HUANG和ZHAO[17]用環(huán)氧樹脂在304不銹鋼表面制備了HBN納米片、TiO2和HBN-TiO2環(huán)氧樹脂增強復(fù)合涂層，通過實驗發(fā)現(xiàn)：復(fù)合涂層能給基體材料帶來顯著的力學(xué)性能提升，特別是在硬度和拉伸強度方面，并使復(fù)合涂層的耐磨性顯著提高，其中HBN-TiO2/EP復(fù)合材料磨損率較純環(huán)氧樹脂涂層降低了65.8%;通過添加二維材料(HBN)能夠通過層間滑移降低摩擦因數(shù)，且歸因于TiO2的承載能力和自潤滑作用，HBN-TiO2/EP復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩性能。

目前填料的研究對象除了種類與含量外，填料尺寸對復(fù)合材料性能的影響也引起了學(xué)者們的注意，許多學(xué)者都對微米和納米尺寸填料填充復(fù)合材料的摩擦性能進行研究。一般情況下，填料尺寸越小對復(fù)合材料摩擦磨損性能的改善則越顯著，納米粒子填充的聚合物復(fù)合材料在多數(shù)實驗條件下都能表現(xiàn)出較優(yōu)的性能[18]。但隨著尺寸的不斷減小，填料粒子在聚合物基體中的分散性問題和團聚現(xiàn)象是需要關(guān)注和解決的。

CHANG等[19]通過熱壓在UHMWPE基體中分別添加微米和納米級ZnO并對其干摩擦特性進行了研究，結(jié)果表明：在UHMWPE基體中摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微米和納米ZnO可以改善復(fù)合材料的磨損性能，但對平均摩擦因數(shù)影響不大；與微米ZnO/UHMWPE復(fù)合材料相比，納米ZnO/UHMWPE復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的界面附著力和磨損性能，具有更光滑的磨損表面和有相對均勻和光滑的轉(zhuǎn)移膜。

穆立文等[20]通過在PTFE/PEEK復(fù)合材料中添加不同體積分?jǐn)?shù)的納米和微米TiO2對其摩擦特性進行了研究，通過實驗發(fā)現(xiàn)：納米TiO2填充的PTFE/PEEK復(fù)合材料在TiO2體積分?jǐn)?shù)較低時，在不同載荷下其接觸面溫度比微米填充的復(fù)合材料更低，且更平穩(wěn)；在不同滑動速率下，納米填充復(fù)合材料的摩擦磨損性能更優(yōu),這是因為摩擦過程中脫落的納米顆粒在摩擦表面形成滾珠效應(yīng)，從而使納米填充復(fù)合材料性能更優(yōu)。

以上所述的填料大多為顆粒填充物，而由于碳纖維、高強玻璃纖維和超高分子量聚乙烯纖維等一系列高性能纖維能賦予復(fù)合材料高比強度、高比模量、低密度、抗疲勞和良好熱穩(wěn)定性等傳統(tǒng)填料所不具備的優(yōu)點[21-22]，基于此，許多學(xué)者對聚合物基纖維填充復(fù)合材料也進行了深入的研究。

張艷和郭芳[23]用酚醛樹脂熱壓在45鋼表面制備了UHMWPE 纖維織物復(fù)合材料，并研究了其在干摩擦、海水與潤滑油介質(zhì)中的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)由于海水和潤滑油可以在摩擦界面形成一層摩擦潤滑膜，故減小了復(fù)合材料的摩擦因數(shù)，但復(fù)合材料在這2種情況下的磨損率卻大于干摩擦，認(rèn)為水分與油液進入了黏接界面造成纖維織物與樹脂黏接性能下降，故造成其抗磨性能下降。

LI和GUO[24]使用原位生長法在空氣等離子體刻蝕后的UHMWPE纖維表面制備了PTES-TiO2/UHMWPE織物復(fù)合材料，并通過PTO對其進行修飾。在干摩擦條件下對其進行實驗發(fā)現(xiàn)：隨著PTO含量的增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)略微下降；由于UHMWPE與填料的協(xié)同作用，摩擦界面由滑動接觸變?yōu)闈L動接觸，使復(fù)合材料具有較好的耐磨性。

通過加入不同的潤滑填料，能使復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的特性，使其摩擦學(xué)特性與力學(xué)性能得到提升。當(dāng)加入的填料具有在剪切力的作用下容易發(fā)生滑移的特性且具有較好的黏附性時，其加入一般能使復(fù)合材料具有較好的潤滑性能；而通過加入部分硬質(zhì)顆粒則能較好地解決材料磨損率較大的問題。除了傳統(tǒng)顆粒填料外，纖維材料也是目前的研究熱門。纖維的加入能很好地起到承載的作用，使填料間結(jié)合較為牢固并不易脫落，并能在一定程度上能提高復(fù)合材料的耐磨性。此外，填料尺寸的大小對摩擦學(xué)性能的影響也得到了大量研究，納米填料具有尺寸小、比表面積大的特點，當(dāng)其被引入復(fù)合材料且分散較好時，能使?jié)櫥瑢拥哪Σ翆W(xué)性能大幅提升。一般來說，粒子尺寸越小，對復(fù)合材料的性能改性效果越好。目前在填料研究方面存在的問題主要是不同工況下填料改性、多填料混合配比研究不足，大都為單一填充研究，且目前主要研究手段以現(xiàn)象解釋為主。由于填料自身性質(zhì)的不同，其在不同工況下的多種類混合、尺寸選擇與含量配比仍是今后研究的一大重點。

2 金屬襯背型復(fù)合材料的制備

金屬襯背型復(fù)合材料與金屬基復(fù)合材料有些相似但又不盡相同，粉末冶金、整體燒結(jié)、攪拌鑄造等金屬基復(fù)合材料的制備工藝是直接將潤滑填料加入熔融態(tài)金屬襯背，然后冷卻成型，而金屬襯背型復(fù)合材料則是通過一系列手段在金屬襯背表層賦予潤滑層，并且不需要對金屬進行重新澆鑄成型。金屬襯背型復(fù)合材料的制備工藝較多，目前應(yīng)用較多的為黏接處理、激光熔覆以及微弧氧化等工藝。

2.1 黏接處理

黏接是通過機械互鎖、物理吸附和化學(xué)黏合將物體連接在一起的過程，其中影響?zhàn)そ淤|(zhì)量的因素較多，包括黏接材料的性質(zhì)和表面狀態(tài)，固化劑的性能，黏接劑自身的性能，膠液對被黏物的濕潤能力，被黏物與黏接劑形成的界面性能等，由于原料較易獲取且制備過程不太復(fù)雜，其已廣泛用于復(fù)合材料的連接[25-26]。一般來說，使用黏接處理制備金屬襯背型復(fù)合材料較為靈活，在連接之前需要對被黏件進行仔細(xì)的表面處理，并且在施膠后需要靜置一段時間或者采用熱壓等方式讓其固化。常用黏接劑分為熱塑性和熱固性樹脂，包括聚氨酯、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、芳香族環(huán)聚合物樹脂等。

劉宇飛等[27]使用酚醛樹脂將PTFE/Kevlar雙層織物與GCr15黏連，并研究了熱壓過程中黏接壓力對摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：在采取的0.1、0.2、0.3和0.4 MPa 4種熱壓壓力中， 0.3 MPa熱壓壓力能使復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率最低：當(dāng)熱壓壓力不大于0.3 MPa時，隨著熱壓壓力的增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)與磨損率都隨之下降；而當(dāng)熱壓壓力大于0.3 MPa時，摩擦因數(shù)和磨損率都隨著熱壓壓力的增大而增大，但在0.4 MPa條件下制備的復(fù)合材料摩擦學(xué)特性都遠(yuǎn)優(yōu)于0.1與0.2 MPa條件下制備的復(fù)合材料。

郭賢文[28]對45鋼進行磷化處理并使用環(huán)氧樹脂在其表面制備了由納米石墨與納米MoS2組成的固體潤滑膜，并對以下方面進行了研究：通過加入不同含量的650低分子聚酰胺固化劑探究樹脂基復(fù)合材料黏接質(zhì)量；通過加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的填料探究其摩擦學(xué)特性。通過實驗發(fā)現(xiàn)：磷化處理不僅可使黏接強度得到提升，還能使摩擦因數(shù)與磨損率有所下降；隨著650 低分子聚酰胺加入量的增加，材料拉伸剪切強度也相應(yīng)有所提高，材料因此也具有良好的固化性能；同時納米石墨和納米二硫化鉬在降低摩擦因數(shù)和提高耐磨性方面具有協(xié)同作用，通過SEM掃描進一步發(fā)現(xiàn)加入碳纖維粉末能有利于潤滑轉(zhuǎn)移膜形成，可進一步降低復(fù)合材料摩擦因數(shù)及磨損率。

LI等[29]以聚酰亞胺作為樹脂基體，納米Si3N4和亞微米WS2為填料，將PTFE/Kevlar混編織物粘接在不銹鋼上制備了復(fù)合材料，并通過實驗觀察復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性，結(jié)果表明：納米Si3N4的加入能有效降低復(fù)合材料的磨損率，而亞微米WS2的加入能使復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率都有效下降，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5% WS2和12.5% Si3N4的加入能使復(fù)合材料摩擦學(xué)性能達(dá)到最佳。通過SEM掃描發(fā)現(xiàn),加入納米顆?？梢砸种戚^大碎屑的形成；摩擦界面形成的轉(zhuǎn)移膜較均勻且充滿潤滑填料，防止了對偶件與織物復(fù)合材料之間的直接接觸，而潤滑膜中的納米填料能起滾動作用，進一步降低了材料磨損。

通過樹脂黏接制備復(fù)合材料，由于其制備成本低，成品性能較為穩(wěn)定，故得到了廣泛研究，但要考慮填料在樹脂中的分散性與浸潤性，且為了提高其黏接性通常還需對金屬襯背進行表面處理。另外，由于黏接劑在高溫下較易產(chǎn)生熱裂紋與脫落從而導(dǎo)致黏結(jié)磨損，如何配置黏接劑并與金屬襯背結(jié)合共同擴大復(fù)合材料的溫度使用范圍，是目前主要存在的問題與需要進一步研究的內(nèi)容。

2.2 激光熔覆

激光熔覆技術(shù)是一項新興的先進表面改性技術(shù)，其通過高能激光束掃描熔覆材料，并以不同送粉方式在被熔覆工件表面添加選擇的涂層材料，使得其與基材表面薄層同時熔化，發(fā)生互擴散和化學(xué)反應(yīng)，形成與基體具有牢固冶金結(jié)合的涂層，從而增強基體的抗疲勞性、抗氧化性、耐磨損等性能[30-31]。激光熔覆精度高，可控性好，能量密度高度集中，適合于對精密零件或局部零件進行處理，可以處理的熔覆材料范圍廣、品種多，故在制備金屬襯背型復(fù)合材料中運用也較為廣泛[32]。在這項技術(shù)中，具有優(yōu)良抗腐蝕性、耐磨性的的Ni 基、Fe 基等合金均被廣泛使用，而對添加何種填料進行熔覆能使不同金屬基復(fù)合材料獲得較好的摩擦學(xué)特性，是目前較為熱門的研究方向。

WU等[33]通過激光熔覆技術(shù)在鋁合金表面制備了納米石墨烯結(jié)構(gòu)，通過實驗探究滑動速度和載荷對復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：均勻分散加入到復(fù)合材料中的納米石墨烯片能起位錯增強和載荷增強的作用，使復(fù)合材料的強度和硬度得到增強，并且隨著滑動速度的增加，其磨損率也相應(yīng)降低；歸因于納米石墨烯的自潤滑特性，使得在磨損過程中摩擦界面易于形成自潤滑膜并有效地減小了摩擦，其摩擦因數(shù)也隨著滑動速度的增加而降低。

SONG等[34]通過激光熔覆在鑄造的K403基板上制備K403涂層，研究了工藝參數(shù)對K403合金組織和磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過處理的K403涂層的磨損率和摩擦因數(shù)分別僅為基材K403的41%和70%，隨著激光功率的增加，K403涂層的尺寸也會增加，同時顯微組織逐漸粗化，生長方向趨于規(guī)則，而顯微硬度隨激光功率的增加則表現(xiàn)為先增后減；復(fù)合材料的磨損性能較未覆蓋涂層前得到顯著改善，其中雙層涂層獲得了最佳的耐磨性。

劉秀波等[35]利用Ti-TiC-WS2復(fù)合粉末通過激光熔覆在TA2合金表面制備了一層自潤滑涂層，并且在不同溫度下測試對比了復(fù)合材料與基體材料的摩擦學(xué)特性，結(jié)果表明：復(fù)合材料的耐磨減摩性能在所有實驗溫度下表現(xiàn)均比基體材料好，復(fù)合涂層在250 ℃條件下摩擦因數(shù)達(dá)到最低，在500 ℃條件下材料磨損率最低；其磨損機制也隨著溫度而不斷變化，潤滑效果在高溫下較低。

通過激光熔覆制備的復(fù)合材料優(yōu)點是潤滑層與金屬襯背結(jié)合較為牢固，且可自定義加工區(qū)域，但制備過程中需要注意激光功率、熔覆速度等參數(shù)；作為一種新型制備工藝，其目前得到了廣泛關(guān)注，但在實現(xiàn)能場分布、成型精度、送料沉積等工藝方面仍需加強；同時對材料的缺陷控制與對應(yīng)性能研究等也需得到進一步研究。

2.3 微弧氧化

微弧氧化是一種通過特殊工藝處理使金屬襯背表面產(chǎn)生陶瓷膜層的技術(shù)。其工藝為：將鋁、鎂、鋅、鈦等金屬及其合金等材料置于電解液中，金屬受到端電壓的作用而在溶液中產(chǎn)生微弧放電并與溶液中的氧結(jié)合，從而使金屬襯背表面生成陶瓷膜層[36]。該方法彌補了傳統(tǒng)陽極氧化的不足，相比一般的陽極氧化處理方法得到的膜層的孔面積相對較小，使獲得的膜層性能更優(yōu)[37]。微弧氧化不僅能提高材料的摩擦學(xué)性能，還能提高其耐腐、耐熱等性能，且加工效率較高，故為一種運用較為廣泛的金屬表面處理技術(shù)。

謝延楠等[38]采用納米MoS2與SiC分別作為減摩耐磨添加劑添加到電解液中，在鋁合金表面制備了MoS2/SiC復(fù)合微弧氧化層，其認(rèn)為MoS2的加入一方面能使復(fù)合材料表面微凸體減少，表面粗糙度下降，另一方面能使摩擦界面形成轉(zhuǎn)移膜進一步降低摩擦因數(shù)，故通過微弧氧化處理后的復(fù)合材料摩擦因數(shù)更低且平穩(wěn)；而加入SiC能使復(fù)合材料氧化層硬度增加，磨損量較未經(jīng)處理的合金降低了32.65%，證明通過微弧氧化添加的2種添加劑能有效改善鋁合金摩擦學(xué)特性。

寧闖明等[39]研究了氧化時間對鎂合金微弧氧化涂層結(jié)構(gòu)及性能的影響，通過實驗發(fā)現(xiàn)隨著氧化時間的增加，復(fù)合材料表面的粗糙度也不斷增加，從而導(dǎo)致其摩擦因數(shù)增大，且復(fù)合材料摩擦因數(shù)均大于空白鎂合金基體的摩擦因數(shù)；而通過微弧氧化使得復(fù)合材料的磨損率大幅減小，但由于其粗糙度隨氧化時間延長而增大，導(dǎo)致其磨損率隨著氧化時間的延長，呈現(xiàn)先增加的趨勢，但隨著涂層硬度的增加，其磨損率增大的趨勢得到抑制并在一定氧化時間后開始降低，綜合來看其磨損率在15 min后得到了下降，達(dá)到25 min時復(fù)合材料磨損率與5 min時相差不大。

通過微弧氧化制備復(fù)合材料工藝較復(fù)雜，其具有更多的處理過程，制備成本更高，難以實現(xiàn)大面積加工，但其制備較為環(huán)保，生成的氧化陶瓷膜硬度較高且性能較為穩(wěn)定。目前其研究過程中存在的問題與需要進一步研究的方向主要是，如何通過控制工藝參數(shù)與電解液成分進而優(yōu)化陶瓷層厚度、孔隙率與致密層，以適應(yīng)不同的工況要求，并同時對金屬襯背與陶瓷層的結(jié)合強度進行兼顧。

3 金屬襯背型復(fù)合材料的摩擦磨損機制

通過觀察金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料及對偶件摩擦面磨損后的表面形貌，是目前分析其摩擦磨損機制的主要手段，一般是通過觀察兩者的SEM微觀結(jié)構(gòu)。為了更進一步證實材料的磨損機制，EDS及紅外光譜圖等輔助手段也常常得以使用。在摩擦過程中，由于存在壓力和剪切力，材料表層中的自潤滑復(fù)合材料最先承力，在其與金屬襯背結(jié)合良好的情況下，通常會被消耗磨損變薄，并附著在對偶件表面上，從而形成轉(zhuǎn)移膜降低摩擦因數(shù)。而當(dāng)表層自潤滑材料與金屬襯背結(jié)合不佳時，其會在摩擦過程中脫落，材料中存在的硬質(zhì)顆粒則會充當(dāng)磨粒加劇磨損，導(dǎo)致復(fù)合材料摩擦穩(wěn)定性差、磨損嚴(yán)重。

REN等[40]以MoSi2作為抗氧化劑填充到PTFE/Nomex織物/酚醛復(fù)合體系中并將其粘接在45鋼表面制成了復(fù)合材料，探究了MoSi2、空氣等離子處理纖維對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：純纖維復(fù)合材料、僅添加MoSi2的復(fù)合材料、經(jīng)過空氣等離子處理且添加MoSi2的復(fù)合材料三者摩擦因數(shù)差別不大，均在0.05～0.1范圍內(nèi)，表現(xiàn)出較好的減摩特性。但純纖維復(fù)合材料磨損性能較差，觀察圖2(a)可以看出，其磨損表面上發(fā)生了纖維切斷現(xiàn)象和數(shù)值的分離；而僅添加MoSi2的復(fù)合材料磨損率明顯降低，觀察圖2(b)可發(fā)現(xiàn)，磨損表面幾乎沒有暴露和斷裂的纖維，只有輕微的樹脂損壞；經(jīng)過空氣等離子處理且添加MoSi2的復(fù)合材料磨損率最低，從圖2(c)可發(fā)現(xiàn),磨損表面還保留了較厚酚醛涂層，幾乎沒有微裂紋的存在，證明MoSi2與對纖維進行空氣等離子處理在減少磨損方面表現(xiàn)為協(xié)同作用，能在保持材料較低摩擦因數(shù)的情況下減小磨損率。

圖2 3種復(fù)合材料的磨損表面的SEM圖像(測試環(huán)境溫度、施加載荷、滑動速度分別為260 ℃，188 N,0.131 m/s)[40]Fig 2 SEM images of the worn surfaces of the three composite materials(the ambient temperature,applied load and slidingspeed during the test are 260 ℃,188 N and 0.131 m/s respectively)[40](a)pure fiber composite;(b)composite with MoSi2;(c)air plasma treated composite with MoSi2

周先輝等[41]使用碳纖維與聚四氟乙烯纖維混編織物并通過熱壓在45鋼表面制備了環(huán)氧樹脂基自潤滑復(fù)合材料，通過實驗對其干摩擦特性進行了考察，結(jié)果表明：PTFE纖維隨著摩擦過程不斷磨損并附著在樹脂基體及對偶件表面，形成了具有減摩作用的轉(zhuǎn)移膜層，較大程度上提高了環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性，在這個過程中其表現(xiàn)為疲勞磨損；隨著摩擦的進行，材料中破損的碳纖維逐漸破壞轉(zhuǎn)移膜，并產(chǎn)生摩擦高溫，使摩擦環(huán)境逐漸惡化，并在對偶件表面發(fā)生氧化磨損，最終摩擦面產(chǎn)生磨粒并通過磨粒磨損使材料失效。

王成龍等[42]以鋼背、銅粉和PTFE制備成三層金屬襯背型復(fù)合材料，將其與鋼鐵材料、有色金屬以及聚合物材料進行配副并分析其對應(yīng)摩擦磨損機制。結(jié)果表明：復(fù)合材料與鋼鐵和聚合物材料進行配副時主要磨損機制均為剝層磨損，摩擦因數(shù)較小，而與鋼鐵材料配副時磨損率較小，故為最佳配副材料；與有色金屬配副時材料發(fā)生了黏著磨損，故造成摩擦因數(shù)與磨損率較大，配副性能最差。

不同材料、不同工況制備的金屬襯背型復(fù)合材料，其摩擦磨損機制都不盡相同，但其大都通過在對偶面形成轉(zhuǎn)移膜從而降低摩擦因數(shù)，而隨著不同的摩擦形式其失效形式也會存在差異，如干摩擦情況下較易發(fā)生黏著磨損，油潤滑、水潤滑下易發(fā)生磨粒磨損等。 對金屬襯背型復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究較少涉及針對潤滑層失效的研究，且目前對摩擦磨損機制研究主要仍是以潤滑層現(xiàn)象分析為主，較少結(jié)合環(huán)境與金屬襯背在材料摩擦過程中發(fā)揮的作用，未來研究應(yīng)考慮這兩者對材料整體摩擦學(xué)特性造成的影響。

4 研究展望

經(jīng)過近年的研究，國內(nèi)外學(xué)者在金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料的組分構(gòu)成、制備工藝和摩擦磨損機制方面做了大量的理論和實驗研究，并取得了一定的成果。但隨著金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展與應(yīng)用，其研究仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，其未來的研究方向建議從以下幾個方面開展：

(1)金屬襯背的種類選取。由于復(fù)合材料中金屬襯背往往起到力學(xué)性能增強的作用，因此所選取的金屬襯背應(yīng)使復(fù)合材料在不同應(yīng)用場所具備更優(yōu)越的綜合性能，并通過對金屬襯背的不同處理使復(fù)合材料能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用以適應(yīng)不同工況下的摩擦學(xué)應(yīng)用。

(2)填料的混合填充機制與改性處理。由于復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性主要由潤滑層決定，對金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料的研究仍主要集中于填料層，目前對于填料的研究大都為單一填充研究，且填料尺寸也將影響復(fù)合材料摩擦學(xué)性能，未來需對多種類填料混合、填料尺寸選擇與含量配比進行進一步的研究。

(3)金屬襯背型自潤滑復(fù)合材料的制備工藝需進一步完善。為使?jié)櫥瑢又苽渚鶆蛞蕴嵘龔?fù)合材料摩擦學(xué)性能、提高潤滑層與金屬襯背的結(jié)合強度、減少復(fù)合材料成品缺陷增加材料可靠性等，對現(xiàn)有制備技術(shù)的改進以及新興制備工藝的研究開發(fā)均為較為重要的發(fā)展方向。

(4)需對復(fù)合材料的摩擦磨損機制進行進一步系統(tǒng)的研究。目前對復(fù)合材料的摩擦磨損機制研究較少涉及潤滑層的失效機制，且較少結(jié)合環(huán)境與金屬襯背在摩擦過程中發(fā)揮的作用，未來研究應(yīng)對這兩方面進行更深層次的考慮。