鎵基液態(tài)金屬用作潤(rùn)滑劑外界影響因素的研究*

尹富強(qiáng)，趙玉辰，李趙春，李天杰

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037)

0 引 言

許多機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件在極其惡劣的環(huán)境下運(yùn)行如核工程[1]和航空航天工業(yè)[2]，由于高溫下的運(yùn)動(dòng)部件相互接觸而導(dǎo)致表面摩擦和磨損，這些機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命和可靠性面臨十分嚴(yán)重的技術(shù)挑戰(zhàn)[3]。不使用潤(rùn)滑劑時(shí)，會(huì)導(dǎo)致失效過(guò)早發(fā)生，大大縮短了機(jī)器的使用壽命。因此在接觸面上涂敷潤(rùn)滑劑是減少磨損和實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑的有效策略。

常見(jiàn)的潤(rùn)滑方式分類有氣體潤(rùn)滑[4]、液體潤(rùn)滑[5]、半固體潤(rùn)滑[6]和固體潤(rùn)滑[7]。氣體潤(rùn)滑劑常見(jiàn)的有氧氣、空氣等，在使用過(guò)程中需要考慮到氣體的密封問(wèn)題。固體潤(rùn)滑劑如石墨、二硫化鉬等，也能夠在高溫條件下有效的潤(rùn)滑，但其熱穩(wěn)定性較差，常通過(guò)納米顆粒的改性來(lái)提升其熱穩(wěn)定性[8]。相比于固體潤(rùn)滑，液體潤(rùn)滑具有許多優(yōu)點(diǎn)，如低摩擦和磨損，長(zhǎng)期耐久性和低噪音排放[9]。常見(jiàn)的液體潤(rùn)滑劑有離子液體[10]，動(dòng)植物潤(rùn)滑油[11]等。離子液體在使用過(guò)程中會(huì)對(duì)金屬造成較強(qiáng)的腐蝕，且其生物相容性和可降解性差，限制了其直接作為潤(rùn)滑劑的使用，大多科研工作者通過(guò)將離子液體作為潤(rùn)滑添加劑加入到常見(jiàn)的基礎(chǔ)油中來(lái)改善其性能[12]。因此，需要找到一種同時(shí)具有離子液體潤(rùn)滑劑優(yōu)異性能和對(duì)金屬等材料腐蝕程度較低的新型潤(rùn)滑劑。

液態(tài)金屬是一種具有低熔點(diǎn)、不定型、可流動(dòng)的金屬，在室溫下即可呈液態(tài)，使其具有很好的流動(dòng)性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性[13]。其中最常見(jiàn)的液態(tài)金屬有汞和鎵，汞因其有劇毒和易揮發(fā)，限制了其使用領(lǐng)域。與汞不同，鎵屬具有無(wú)毒、可回收的特性，鎵的熔點(diǎn)為29.8 ℃，略高于室溫，可通過(guò)合金化來(lái)降低其熔點(diǎn)，最常見(jiàn)的兩種鎵基液態(tài)金屬(GLM)為有鎵銦合金(EGaIn,75%鎵,25%銦)和鎵銦錫合金(Galinstan,68%鎵,22%銦,10%錫)[14]，目前已廣泛應(yīng)用于3D打印、柔性電路、半導(dǎo)體和電池等領(lǐng)域[15-17]，因具有優(yōu)異的性能如寬液體范圍、高溫穩(wěn)定性、低熔點(diǎn)等，通過(guò)廣泛的研究可以有效地拓寬它的應(yīng)用領(lǐng)域。國(guó)外研究鎵基液態(tài)金屬用于潤(rùn)滑與摩擦領(lǐng)域是在20世紀(jì)60年代，研究發(fā)現(xiàn)鎵的薄膜在真空中的摩擦系數(shù)和磨損率比空氣中的低[18]。而國(guó)內(nèi)對(duì)鎵基液態(tài)金屬用作潤(rùn)滑劑的研究還處于起步階段。盡管對(duì)鎵基液態(tài)金屬用作潤(rùn)滑劑已進(jìn)行了廣泛的研究，但對(duì)于它的潤(rùn)滑機(jī)理還沒(méi)有明確的定義。并且對(duì)其作為潤(rùn)滑劑的理論和仿真也較少，需要通過(guò)大量的深入研究來(lái)建立起一套普遍適用的理論和仿真體系[19]。本文主要介紹了近幾年對(duì)于鎵基液態(tài)金屬潤(rùn)滑條件和潤(rùn)滑性能的研究，論述了影響其潤(rùn)滑性能的影響因素，包括外界載荷、有無(wú)氧氣、溫度、電流和表面織構(gòu)。最后對(duì)如何優(yōu)化鎵基液態(tài)金屬的潤(rùn)滑性能做出了展望。

1 GLM潤(rùn)滑性能的外界影響因素

1.1 外界載荷

潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能與外界載荷之間存在著相關(guān)性。研究表明，隨著外界載荷的增加，潤(rùn)滑油的性能也隨之下降，且潤(rùn)滑油的氧化衰變程度加劇，從而導(dǎo)致摩擦磨損的加劇[20]。在高載荷的作用下，常常還伴隨著溫度的升高。鎵基液態(tài)金屬具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，可以將摩擦產(chǎn)生的熱量散去，從而降低摩擦副之間的摩擦磨損，因此鎵基液態(tài)金屬有應(yīng)用于極壓條件下潤(rùn)滑劑的潛力。Cheng[21]研究了鎵基液態(tài)金屬在不同外加載荷下的摩擦系數(shù)和磨損率，指出在100 N外界載荷無(wú)潤(rùn)滑劑鋼與陶瓷摩擦副之間的摩擦系數(shù)大約為0.9，添加鎵基液態(tài)金屬潤(rùn)滑劑后，隨著外界載荷從100 N增加到1 500 N時(shí)，摩擦系數(shù)從0.23下降至0.11(如圖1(a)所示)。為了發(fā)現(xiàn)鎵基液態(tài)金屬的潤(rùn)滑機(jī)理，進(jìn)一步對(duì)摩擦表面進(jìn)行掃描電鏡分析，研究發(fā)現(xiàn)在1 500 N時(shí)，摩擦副表面之間存在一層摩擦膜，主要成分是FeGa3(如圖1(c)所示)，這層薄膜具有比鋼更低的熔點(diǎn)和柔軟度，猜測(cè)是因?yàn)樗男再|(zhì)有助于它作為易剪切界面層，并導(dǎo)致低摩擦系數(shù)。在非常高的載荷下，兩個(gè)物體之間的滑動(dòng)通常涉及到分子/原子的直接固固接觸，傳統(tǒng)潤(rùn)滑油在高載荷下常常會(huì)在短時(shí)間內(nèi)就分解和失效。Li等[22]利用四球?qū)嶒?yàn)對(duì)比了鎵基液態(tài)金屬與齒輪油和聚α-烯烴的極壓潤(rùn)滑能力，研究指出鎵基液態(tài)金屬在10 kN的負(fù)載下可以很好的潤(rùn)滑一段時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)異傳統(tǒng)的有機(jī)潤(rùn)滑劑，鎵基液態(tài)金屬在10 kN下的摩擦系數(shù)小于0.1，而齒輪油在2 kN下的摩擦系數(shù)為0.13。并發(fā)現(xiàn)鎵基液態(tài)金屬在極壓條件下的優(yōu)異潤(rùn)滑性能與其高導(dǎo)熱系數(shù)和與摩擦副反應(yīng)生成的一層FeGa3有關(guān)。鎵基液態(tài)金屬因其具有優(yōu)異的性能，并且能夠在摩擦副界面上生成一層具有較低摩擦系數(shù)的反應(yīng)膜[23]，使得其能夠在較寬的載荷范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑能力和高承載能力，可應(yīng)用于一些極壓場(chǎng)合下的潤(rùn)滑。

鎵基液態(tài)金屬的潤(rùn)滑性能受外界載荷的影響，接下來(lái)可探討鎵基液態(tài)金屬的適用載荷范圍。鎵基液態(tài)金屬的極壓潤(rùn)滑能力較為優(yōu)異，但其在較低載荷下表面出較差的抗磨性能[24]。因此，需要采取合適的改進(jìn)措施來(lái)改善鎵基液態(tài)金屬在低載荷情況下潤(rùn)滑性能較差的現(xiàn)象。一方面可通過(guò)向其加入微量銅、鋁等金屬元素，它們易于氧化可生成一層耐磨性較高的氧化物薄膜，可大大提高鎵基液態(tài)金屬的潤(rùn)滑性能。另一方面可將鎵基液態(tài)金屬作為納米添加劑加入到一些基礎(chǔ)潤(rùn)滑油中，在作為納米添加劑使用時(shí)需要考慮到鎵基液態(tài)金屬的分散問(wèn)題，可大大改善其極壓條件下的潤(rùn)滑性能。

圖1 (a)、(b)不同條件下AISI 52100鋼與si3N 4陶瓷摩擦副接觸時(shí)的摩擦系數(shù)和磨損率曲線;(c)在不同載荷和鎵銦錫液態(tài)金屬潤(rùn)滑條件下，AISI 52100鋼與氮化硅陶瓷接觸時(shí)的磨損形貌[21]Fig 1 Friction coefficient and wear rate for AISI 52100 steel in contact with Si3N4 ceramics measured at different conditions(a, b), SEM images showing the worn morphologies of AISI 52100 steel in contact with Si3N4 ceramic measured at different applied loads and Ga-In-Sn liquid metallubrication(c)[21]

1.2 GLM潤(rùn)滑性能與大氣環(huán)境的關(guān)系

潤(rùn)滑劑的工作條件是存在一些高度專業(yè)化的特定場(chǎng)合，如能夠在空氣或潮濕大氣等環(huán)境下工作[25]。因此潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能通常也與大氣環(huán)境有關(guān)，盧帥[26]等采用直流磁控濺射技術(shù)在不同的氮?dú)饬髁勘认略赥G6基體上制備了CrN涂層并分析了其涂層結(jié)構(gòu)和摩擦性能，研究指出，涂層磨損率隨著氮?dú)饬髁康脑龃蟪氏仍龃蠛鬁p小再增大的趨勢(shì)，并在氮?dú)饬髁繛?0%時(shí)達(dá)到最小值。鎵基液態(tài)金屬在空氣中易于和氧氣反應(yīng)[27]，被還原成Ga2O3的氧化物，與金屬銅、鋁的性質(zhì)相似。大氣條件會(huì)顯著影響許多潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能，因此有必要建立鎵基液態(tài)金屬潤(rùn)滑性能與各種大氣環(huán)境之間的關(guān)系，以便揭示其潤(rùn)滑機(jī)理和工作環(huán)境的影響。P. Bai[28]等通過(guò)旋轉(zhuǎn)球-盤接觸實(shí)驗(yàn)，研究了在氮?dú)狻⒖諝夂脱鯕鈼l件下，鎵基液態(tài)金屬潤(rùn)滑軸承鋼摩擦副的摩擦性能。研究指出，在氧氣甚至空氣情況下的摩擦系數(shù)和磨損率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)氧條件下的(如圖2所示)，在無(wú)氧情況下，鎵基液態(tài)金屬因不和氧氣發(fā)生反應(yīng)而呈液態(tài)形式，在摩擦過(guò)程中不易粘附到摩擦接觸區(qū)域，從而導(dǎo)致了高摩擦系數(shù)和磨損率。鎵基液態(tài)金屬在空氣和氧氣中易于被氧化，由于氧化物的存在，導(dǎo)致鎵基液態(tài)金屬?gòu)囊后w逐漸轉(zhuǎn)化為糊狀，因此在機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，可以牢固的粘附在金屬表面，從而啟到改善摩擦性能的作用。

鎵基液態(tài)金屬的潤(rùn)滑性能與大氣條件尤其是有無(wú)氧氣的存在有直接關(guān)系。氧化物的存在可以改善鎵基液態(tài)金屬的表面張力和粘度，使其在潤(rùn)滑過(guò)程中可以很好的粘附在摩擦表面上，從而啟到有效的潤(rùn)滑，但還缺少針對(duì)鎵基液態(tài)金屬氧化物含量和氧化程度對(duì)其潤(rùn)滑性能影響的研究。因此，我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)來(lái)控制氧氣的含量，從而啟到控制鎵基液態(tài)金屬氧化物含量和氧化程度，找出最佳潤(rùn)滑性能下的氧化物含量，更好的改善其潤(rùn)滑性能，使得其可以應(yīng)用于更多特殊場(chǎng)合下的潤(rùn)滑。

圖2 (a)不同條件下下無(wú)潤(rùn)滑和鋼潤(rùn)滑鋼/鋼副的摩擦學(xué)性能比較(b)30 min時(shí)的磨損直徑及平均摩擦系數(shù)[28]Fig 2 Comparison of tribological properties of steel/steel pair without and with lubrication by GBLM in different atmospheres: variation of COF vs. time (a) and WSD and average COF in 30 min(b)[28]

1.3 GLM潤(rùn)滑性能與溫度的關(guān)系

鎵基液態(tài)金屬具有較低的熔點(diǎn)，在室溫條件下表現(xiàn)為液態(tài)。液體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能常常與它的黏度有直接關(guān)系，而外界溫度的變化又會(huì)導(dǎo)致液體潤(rùn)滑劑黏度發(fā)生變化，所以這幾個(gè)因素是相互影響、相互關(guān)聯(lián)的[29]，黏度也是直接關(guān)系到潤(rùn)滑的性能、機(jī)構(gòu)的磨損程度和使用壽命。傳統(tǒng)的液體潤(rùn)滑劑由于其熱穩(wěn)定性差，只能夠在較低的溫度范圍內(nèi)工作，在高溫條件下常常會(huì)導(dǎo)致液體潤(rùn)滑劑的失效，從而增加摩擦磨損，鎵基液態(tài)金屬則可以實(shí)現(xiàn)在-10～800 ℃下的有效潤(rùn)滑，這些結(jié)果證明了鎵基液態(tài)金屬在較寬的溫度范圍內(nèi)用作潤(rùn)滑劑的潛力[30]。要想更好的理解鎵基液態(tài)金屬的工作機(jī)理，也需要掌握不同溫度下鎵基液態(tài)金屬的黏度。Li[31]等利用最小二乘法擬合了黏度與溫度的關(guān)系，因試驗(yàn)溫度很難達(dá)到實(shí)際工作溫度，只得出了0～120 ℃的擬合方程：

Inv=-0.004638×T-0.616012

其中v是鎵基液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)黏度，T是攝氏溫度。通過(guò)上述擬合方程可以得出，鎵基液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)黏度與外界溫度呈反比變化，但其下降速率卻比較緩慢，因此鎵基液態(tài)金屬也適合于一定溫度條件下的潤(rùn)滑，并且不呈現(xiàn)出比例關(guān)系。Xu[32]等使用電阻絲并以10 ℃/min的速度加熱溫度，研究了鎵基液態(tài)金屬?gòu)氖覝氐?00 ℃下的摩擦系數(shù)，并通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)比了不同溫度下的摩擦表面的微觀結(jié)構(gòu)。研究指出，鎵基液態(tài)金屬的潤(rùn)滑性能與溫度不呈任何比例關(guān)系(如圖3所示)，在400 ℃條件下鋼開(kāi)始和鎵基液態(tài)金屬反應(yīng)生成納米FeGa3顆粒，表面出最佳的摩擦性能，而隨著溫度的升高，其潤(rùn)滑性能反而表面出反比關(guān)系。一方面隨著溫度的升高，鎵基液態(tài)金屬的黏度發(fā)生變化，另一方面，在600和800 ℃的條件下，鎵基液態(tài)金屬與鋼的反應(yīng)加劇，會(huì)造成對(duì)鋼的腐蝕(如圖4所示)，尤其在800 ℃引起了基底內(nèi)部的嚴(yán)重溶解腐蝕，從而使其摩擦系數(shù)逐步升高。

圖3 (a)在T91/Al2O3滑動(dòng)副下GLM在不同溫度下摩擦系數(shù)的變化曲線;(b)在T91/Al2O3滑動(dòng)副下GLM在不同溫度下穩(wěn)態(tài)平均值[32]Fig 3 Variation curves (a) and steady-state average values (b) of friction coefficient of T91/Al2O3 sliding-pairs lubricated by GLM at different temperatures[32]

圖4 (a)掃描電鏡圖像在軌道內(nèi)部600 ℃下測(cè)試;(b)掃描電鏡圖像在軌道外部600 ℃下測(cè)試；(C)掃描電鏡圖像在軌道內(nèi)部800 ℃下測(cè)試;(d)掃描電鏡圖像在軌道外部800 ℃下測(cè)試800°C；(d)掃描電鏡圖像在軌道內(nèi)部600 ℃相應(yīng)元素映射;(f)掃描電鏡圖像在軌道外部600 ℃相應(yīng)元素映射[32]Fig 4 SEM images of the cross-section of T91 tested at 600 °C (a, b) (inside and outside the track, respectively), 800 °C (c, e) (inside and outside the track, respectively); and the corresponding elemental mappings of Ga(d, f)[32]

與傳統(tǒng)液體潤(rùn)滑劑相比，鎵基液態(tài)金屬可以在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的潤(rùn)滑。鎵基液態(tài)金屬與鋼反應(yīng)生成的FeGa3納米顆?？梢云鸬揭欢ǖ臏p磨作用，但這種薄膜只有在一定條件下才可以生成，并且超過(guò)該條件會(huì)加劇這種顆粒的生成，最終將導(dǎo)致對(duì)鋼的嚴(yán)重腐蝕。因此，在較高的溫度下潤(rùn)滑時(shí)，需要向其中加入添加劑從而抑制其與鋼的反應(yīng)或減緩其反應(yīng)速度。

1.4 GLM潤(rùn)滑性能與電流的關(guān)系

電控摩擦研究開(kāi)始于20世紀(jì)60、70年代，國(guó)內(nèi)的電控摩擦在20世紀(jì)90年代也逐漸展開(kāi)，通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)外加電場(chǎng)對(duì)摩擦特性的調(diào)控具有一定的規(guī)律性[33]。溫詩(shī)鑄等[34]研究了外電場(chǎng)作用下的薄膜潤(rùn)滑性能，發(fā)現(xiàn)納米潤(rùn)滑膜的等效黏度和油膜厚度隨著外電場(chǎng)的增加而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，并發(fā)現(xiàn)這一電場(chǎng)效應(yīng)只與外加電場(chǎng)的大小有關(guān)系，與其正反無(wú)關(guān)。鎵基液態(tài)金屬是一種同時(shí)具有金屬和流體特性的功能材料，也具有類似金屬優(yōu)異的導(dǎo)電性能[35]，由表1可發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)電性能優(yōu)于石墨、氮化硼等常見(jiàn)的潤(rùn)滑劑，因此其潤(rùn)滑性能也會(huì)受到電場(chǎng)的影響。Guo等[37]通過(guò)連接不同的電阻來(lái)改變外加電流的大小，研究了鎵基液態(tài)金屬在不同電流大小、電流方向條件下的潤(rùn)滑性能，并使用了掃描電子顯微鏡和能譜儀對(duì)其摩擦表面進(jìn)行表征。研究指出，當(dāng)電流≤(2.28±0.07)A時(shí)，摩擦系數(shù)曲線幾乎與無(wú)電流場(chǎng)條件下一致；當(dāng)外加電流增加至(9.44±0.41)A左右時(shí)，摩擦系數(shù)降低了33%(如圖5所示)，且潤(rùn)滑性能與電流方向無(wú)關(guān)。并通過(guò)SEM觀察只有當(dāng)電流到達(dá)6 A并且載荷在40 N以上，在其表面能夠觀察到了FeGa3顆粒。但其顆粒含量較少，很難形成低摩擦系數(shù)的潤(rùn)滑薄膜，因此需要加快鎵基液態(tài)金屬與摩擦副表面的反應(yīng)速度或者降低其反應(yīng)難度。可采用向其中加入一些功能添加劑來(lái)改善其性能。

表1 常見(jiàn)潤(rùn)滑劑的電阻率[36]Table 1 Resistivity of common lubricants

鎵基液態(tài)金屬不同于其他一般潤(rùn)滑劑主要因其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。在實(shí)際生活中，有一些器件如發(fā)電機(jī)和磁流體軸承需要潤(rùn)滑劑能夠在載流和電場(chǎng)環(huán)境中運(yùn)行，因此在該場(chǎng)合下需要潤(rùn)滑劑具有一定的導(dǎo)電性。而離子液體也具有導(dǎo)電性，但絕大多數(shù)離子液體在室溫下的導(dǎo)電率比鎵基液態(tài)金屬低約7個(gè)數(shù)量級(jí)，不能滿足使用需求[38]。鎵基液態(tài)金屬在導(dǎo)電流體領(lǐng)域具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有較高的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，在外加電場(chǎng)條件下也可具有較低的摩擦系數(shù)，但其在外加電場(chǎng)下還存在著很難生成有效的低摩擦系數(shù)FeGa3薄膜的問(wèn)題。目前鎵基液態(tài)金屬在電控摩擦方面的研究還處于研究階段，缺少對(duì)其實(shí)際應(yīng)用中潤(rùn)滑性能的探討和研究。

1.5 GLM潤(rùn)滑性能與表面織構(gòu)化的關(guān)系

表面織構(gòu)技術(shù)在改善摩擦副摩擦性能具有巨大潛力。表面織構(gòu)技術(shù)就是在摩擦表面上加工出一定尺寸參數(shù)、幾何形貌和排列方式的微凹坑，在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)這些微凹坑會(huì)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間產(chǎn)生附加流體動(dòng)壓力，從而使得摩擦副之間幾乎不直接接觸，從而產(chǎn)生流動(dòng)動(dòng)壓潤(rùn)滑[39]，啟到減小摩擦磨損的效果。高貴[40]等通過(guò)BBD響應(yīng)面法和LSR-2M往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)建立起了織構(gòu)參數(shù)與摩擦性能之間的二次回歸模型，研究發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)會(huì)增大PTEF復(fù)合材料的初始摩擦系數(shù)和體積磨損率，但其有利于儲(chǔ)存磨屑，在接觸應(yīng)用的作用下磨屑中的納米粒子與溝槽底部及側(cè)面粗糙峰易形成牢固的機(jī)械互鎖力，從而促進(jìn)了轉(zhuǎn)移膜的生成。鎵基液態(tài)金屬在極壓條件下具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，但在較低外界載荷條件下的潤(rùn)滑卻不太理想。表面織構(gòu)作為提高潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能的有效方法，也可用于改善鎵基液態(tài)金屬的潤(rùn)滑性能。Xing[12]等利用納秒激光紋理化技術(shù)制備了不同面積比的紋理化表面，分別微T5,T15和T35，并用掃描電子顯微鏡對(duì)其表面進(jìn)行了表征(如圖6所示)。研究發(fā)現(xiàn)，表面織構(gòu)化能夠改善鎵基液態(tài)金屬的潤(rùn)滑性能，T15與鎵基液態(tài)金屬的配合使用最好，并發(fā)現(xiàn)在此配合條件下，鎵基液態(tài)金屬在較低的載荷下也具有較低的摩擦系數(shù)，T15在10 N下的摩擦系數(shù)低至0.17，很好的改善了鎵基液態(tài)金屬在低載荷情況下的潤(rùn)滑性能。

圖5 相同電壓(2.5 V)和不同電流條件下(a)摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化曲線;(b)GCr15/T91滑動(dòng)副的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)和T91平面的磨損率[37]Fig 5 Variation curves of friction coefficient versus sliding time (a); steady-state friction coefficient of GCr15/T91 sliding-pairs and wear rates of T91 flats under the same voltage (2.5 V) and different currents (b) [37]

圖6 紋理表面(a) T5;(b) T15;(c) T35的掃描電鏡圖像[41]Fig 6 SEM images of textured surfaces: T5 (a), T15 (b) and T35 (c) [41]

對(duì)于很多金屬摩擦副，其實(shí)際工作條件下的接觸應(yīng)力通常小于1.97 GPa，鎵基液態(tài)金屬在低外界載荷的條件下的潤(rùn)滑性能低于高載荷下的，但通過(guò)表面織構(gòu)化，可以有效的改善了鎵基液態(tài)金屬在正常接觸應(yīng)力下的潤(rùn)滑性能，但其表面織構(gòu)化對(duì)其在高載荷情況下的潤(rùn)滑性能的影響還沒(méi)有詳細(xì)的研究。表面織構(gòu)的形狀也會(huì)影響到潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能，可嘗試采用網(wǎng)狀紋理，網(wǎng)狀紋理具有更好的流通性，液體在其中更不容易堵塞，并且能夠促進(jìn)潤(rùn)滑水膜的形成。

2 結(jié) 語(yǔ)

與傳統(tǒng)的潤(rùn)滑劑相比，鎵基液態(tài)金屬可以在極端條件下(如高溫、極壓、電流)表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑，但其潤(rùn)滑機(jī)理還沒(méi)有明確的定義，還需要同步進(jìn)行大量仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)其潤(rùn)滑機(jī)理。鎵基液態(tài)金屬的研究應(yīng)從以下幾方面努力發(fā)展。

(1)傳統(tǒng)潤(rùn)滑油因其耐磨性差、抗氧化性差，限制了其應(yīng)用范圍。而鎵基液態(tài)金屬具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，可通過(guò)普通的超聲波儀制備液體納米粒子，進(jìn)而可作為一種新型液體納米添加劑，以改善傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑等基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑性能。

(2)鎵基液態(tài)金屬具有高表面張力，在使用時(shí)很容易聚集在一起，當(dāng)作為潤(rùn)滑劑使用時(shí)，需要采用有效的手段去均勻分散鎵基液態(tài)金屬，使其能夠更好的潤(rùn)濕接觸表面，避免因鎵基液態(tài)金屬團(tuán)聚而造成摩擦副直接接觸。

(3)鎵基液態(tài)金屬的氧化物薄膜具有一定的潤(rùn)滑作用，氧化物薄膜在一定條件下會(huì)被破壞，因此需要探討氧化的程度和氧化速率，以保證氧化物薄膜的持續(xù)存在。

(4)鎵基液態(tài)金屬在室溫下成液態(tài)。液體潤(rùn)滑劑的性能與液體的粘度有關(guān)系，可以通過(guò)改善鎵基液態(tài)金屬的粘度來(lái)改善其潤(rùn)滑性能。

鎵元素在地殼中并不豐富，因此在使用中需要最大化地利用鎵基液態(tài)金屬的性能和開(kāi)發(fā)如何回收鎵基液態(tài)金屬的技術(shù)。