耐磨材料應(yīng)用于涂層防護(hù)方面的研究與進(jìn)展

修雪英

摩擦?xí)?duì)材料造成較大的磨損，不僅會(huì)影響到相應(yīng)器件的使用壽命和運(yùn)行安全，而且還會(huì)使得相應(yīng)工程結(jié)構(gòu)受到不良影響，進(jìn)而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為降低摩擦損耗及其經(jīng)濟(jì)損失，加強(qiáng)對(duì)于耐磨材料的應(yīng)用研究，并將其融入到涂層防護(hù)當(dāng)中，是提高器件耐磨性能的重要舉措。耐磨涂層技術(shù)的研究和發(fā)展，極大地降低了材料損耗，對(duì)于保障生產(chǎn)安全，提高經(jīng)濟(jì)效益有著重要意義。

1 無(wú)機(jī)耐磨涂層

1.1 硬涂層

硬涂層主要指的就是硬度較高等特定性能優(yōu)勢(shì)，而將其涂刷在材料表面之后，不會(huì)對(duì)材料本身強(qiáng)度等產(chǎn)生不良影響，主要包括TiN、CrN以及TiC等一元涂層，還包括諸如TiCN、TiAlN、TiCrN等二元涂層，以及各種在此基礎(chǔ)之上發(fā)展出來(lái)的多元涂層、多層涂層和納米復(fù)合涂層等，其在耐磨涂層的研發(fā)過(guò)程中有著十分重要的作用。其中TiN的硬度為2000HV，而TiSiN的硬度更是高達(dá)3700HV，但是前者的高溫抗氧化性相對(duì)較差，而由后者制成的耐磨涂層，其壓縮殘余應(yīng)力相對(duì)較大，并且黏著力較差，若僅以單層的TiSiN作為耐磨涂層進(jìn)行工件制作，其可行性相對(duì)較差。

對(duì)此，部分學(xué)者通過(guò)在600℃的高溫下，對(duì)TiSiN涂層展開(kāi)了清理試驗(yàn)，以此達(dá)到降低其殘余應(yīng)力的目的，并取得了良好成效，使得由此制成的組合耐磨涂層不僅有著較高的抗損傷性能，而且材料的粘著力也有了極大地改善。在納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)涂層制備方面，Yin-YuChang等學(xué)者則通過(guò)在TiN、CrN和ZrN中加入Al和Si，以此獲得了多組分的AlTi-CrN、AlCrSiN、AlTiSiN、ZrSiN和ZrAlSiN涂層，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與普通TiN、CrN等一元涂層相比，由此制備而成的多組分涂層其不僅機(jī)械性能更好，而且在熱穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)出了較好的性能。隨著耐磨材料在涂層當(dāng)中的應(yīng)用研究，硬質(zhì)涂層性能水平得到了良好發(fā)展，其主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在較為突出的剛性，而且尺寸十分穩(wěn)定，但是由無(wú)機(jī)材料制備而成的硬質(zhì)涂層也存在著較為明顯的缺陷問(wèn)題，就是附著能力相對(duì)較低，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，與基材之間的結(jié)合效果相對(duì)較差，這也是當(dāng)前限制無(wú)機(jī)耐磨材料在涂層防護(hù)當(dāng)中應(yīng)用的主要因素。

1.2 軟涂層

無(wú)機(jī)材料制成的軟涂層主要指的是MoS2涂層，以及由MoS2和Au、Pb等多種無(wú)機(jī)材料共同沉積得到的一元或者二元復(fù)合涂層，和在此基礎(chǔ)之上與Au、Ti、Cr等復(fù)合制備的多元涂層，此外，還包括由MoSx與Au、Pb、Ni、Ti在層層疊加之下得到的多層涂層。相較于硬土層而言，由無(wú)機(jī)材料制備而成的軟土層，其主要優(yōu)勢(shì)為摩擦系數(shù)相對(duì)較低，但是若長(zhǎng)期暴露在潮濕環(huán)境當(dāng)中，軟涂層的摩擦系數(shù)也會(huì)逐漸提高，最終使得涂層失效。MoS2是一種性能十分優(yōu)越的軟涂層，在潤(rùn)滑性能方面有著突出的優(yōu)勢(shì)。但是由于純MoS2涂層的厚度相對(duì)較薄，而且與基層材料的結(jié)合性能相對(duì)較弱，因此將該材料運(yùn)用在涂層防護(hù)當(dāng)中相應(yīng)材料的耐磨壽命相對(duì)較短，為解決這一問(wèn)題，將該材料與其他硬質(zhì)材料等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以此形成具有良好耐磨性能的潤(rùn)滑涂層，在達(dá)到減少磨損目的的同時(shí)，也能夠適應(yīng)各種高溫以及較大荷載工況需求。而且由于MoS2自身多層結(jié)構(gòu)這一特點(diǎn)，因此使得由該材料制成的相應(yīng)涂層也具有較好的潤(rùn)滑性能，而且不需要吸附氣體分子也能夠有效保障自身較低的摩擦系數(shù)，在真空環(huán)境當(dāng)中得到了十分廣泛的應(yīng)用。

在趙家政等學(xué)者的不斷研究之下，發(fā)現(xiàn)當(dāng)將硫鉬原子比控制在2.00左右時(shí)，再利用磁控濺射技術(shù)制備的MoS2潤(rùn)滑薄膜，其耐磨壽命相對(duì)較長(zhǎng)，有著較好的應(yīng)用效果。學(xué)者李磊等人則借助Ni-Al系自蔓延反應(yīng)，通過(guò)對(duì)溫度的控制和不斷試驗(yàn)，在鋼基體表面制備潤(rùn)滑涂層，最后確定了MoS2在Ni-Al-MoS2體系中燒損的臨界溫度為560℃，而在Ni3Al-MoS2體系中燒損的臨界溫度為1200℃，以此在自蔓延反應(yīng)下制備合成了NiAl系金屬間化合物，以此有效解決了MoS2在自蔓延反應(yīng)當(dāng)中容易燒損的問(wèn)題，并將涂層的摩擦系數(shù)控制在了0.2以下，有效保障了涂層的自潤(rùn)滑性能。軟涂層的主要優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)表現(xiàn)為能夠降低摩擦系數(shù)，保障材料潤(rùn)滑效果，以此降低材料與環(huán)境之間的摩擦，減少材料磨損。

1.3 復(fù)合涂層

雖然硬涂層和軟涂層各有優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也各自存在一定缺陷問(wèn)題。硬涂層的表面硬度較好，但是附著能力相對(duì)較低，摩擦系數(shù)較大，硬涂層的硬化會(huì)增加金屬間接觸產(chǎn)生的滑動(dòng)磨損。而軟涂層雖然摩擦系數(shù)較低，并且有著較好的自潤(rùn)滑性能，但是材料硬度不足。對(duì)此，為滿(mǎn)足更多工況要求，學(xué)者們通過(guò)將軟硬涂層進(jìn)行復(fù)合處理，以此得到表面硬度較高、摩擦系數(shù)較低的復(fù)合涂層。R.Gil More等學(xué)者，通過(guò)直流磁控濺射技術(shù)制作了TiNMoS2復(fù)合鍍層，有效將軟硬涂層的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在了一起，即保護(hù)了涂層的表面硬度，同時(shí)也達(dá)到了降低材料摩擦系數(shù)的效果。還有學(xué)者借助超音速團(tuán)束以及陰極電弧反應(yīng)蒸發(fā)技術(shù)，制備了具有較好納米摩擦學(xué)性能的TiN薄膜。此外，除了對(duì)涂層摩擦性能方面的研究，還存在對(duì)于材料硬度要求較高的情況，因此也有學(xué)者通過(guò)陰極籠式等離子體沉積技術(shù)促使固體潤(rùn)滑材料與硬質(zhì)涂層進(jìn)行緊密結(jié)合，以此達(dá)到提高材料硬度的目的。

1.4 高溫耐磨涂層

高溫摩擦磨損是當(dāng)前機(jī)械運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域當(dāng)中環(huán)境較為惡劣的失效情況，尤其是在軍工、航空等領(lǐng)域當(dāng)中，高溫摩擦所帶來(lái)的損失和影響是十分巨大的，為進(jìn)一步提高零部件的高溫磨損性能，通常會(huì)通過(guò)涂刷高溫耐磨涂層予以保護(hù)，本文以當(dāng)前常見(jiàn)的鎳基以及鈷基高溫耐磨涂層為例，針對(duì)其研究情況展開(kāi)探討。

鎳基高溫合金的主要優(yōu)勢(shì)在于高溫狀態(tài)下其力學(xué)性能、抗腐蝕能力都相對(duì)較強(qiáng)，是當(dāng)前重要的高溫材料，主要以鎳為基體，還包括C、Cr、Co以及微量的B、Ce等元素。鎳基涂層常被應(yīng)用在鍋爐等高溫部件當(dāng)中。由于高溫工況環(huán)境惡劣，為保障鎳基涂層的耐磨效果，通過(guò)在其中加入陶瓷增強(qiáng)相或者固體潤(rùn)滑相的方式，以此達(dá)到提高鎳基高溫涂層耐磨性的效果。對(duì)此，常用的增強(qiáng)相為WC，此外，還可以同增加Mo元素的方式補(bǔ)充材料耐磨性能。固體潤(rùn)滑劑則主要用于提高鎳基涂層的減磨性能，NiCrAl-BN復(fù)合涂層的主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在顯微硬度更高，而且涂層中的BN還具有自潤(rùn)滑作用，因此，該耐磨材料在涂層防護(hù)當(dāng)中有著極強(qiáng)的耐腐蝕性以及耐磨性。復(fù)相固體潤(rùn)滑劑的添加能夠有效提高鎳基涂層的潤(rùn)滑性能，以此降低涂層表面的摩擦系數(shù)，減少涂層以及基層的摩擦損耗。學(xué)者劉海青等應(yīng)用多種自潤(rùn)滑粉制備復(fù)合涂層，意在提升復(fù)合涂層的耐磨性能，達(dá)到降低摩擦系數(shù)的目的。

鈷基高溫耐磨涂層就是以鈷為基體，與W、Ni、C等元素組成合金，鈷合金的主要性能優(yōu)勢(shì)在于硬度較高，因此由此制成的耐磨涂層其耐磨性能相對(duì)較強(qiáng)；此外鈷基合金的熱穩(wěn)定性能也相對(duì)較好，因此常被應(yīng)用在高溫耐磨涂層當(dāng)中；同時(shí)鈷基合金融化時(shí)濕潤(rùn)性較好，有助于獲得熱應(yīng)力小、致密性高的材料，將其應(yīng)用在高溫涂層防護(hù)當(dāng)中，不僅有著較好的耐腐蝕性，而且抗沖擊性能以及抗磨損能力也相對(duì)較好。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，肯可通過(guò)添加增強(qiáng)相或者潤(rùn)滑劑的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)于鈷基材料性能的調(diào)整和改善，以此滿(mǎn)足實(shí)際高溫耐磨涂層需求。例如，可通過(guò)碳化物提升鈷基涂層材料的耐磨性能，對(duì)此通常會(huì)在耐磨材料當(dāng)中使用陶瓷相以此達(dá)到相應(yīng)改性目的，WC是鈷基涂層中常用的增強(qiáng)相，WC的應(yīng)用能夠使得鈷基涂層當(dāng)中元素分布情況發(fā)生變化，使得整個(gè)涂層更加致密、均勻，而且具有較強(qiáng)的硬度，以此增加材料耐磨性能，確保涂層防護(hù)效果。

2 有機(jī)耐磨涂層

2.1 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯簡(jiǎn)稱(chēng)PTFE，是一種具有較好耐溫、耐酸堿、絕緣性，以及低摩擦系數(shù)和阻燃性的有機(jī)耐磨材料，其結(jié)構(gòu)是以C-C作為主鏈，然后由其他氟原子圍在主鏈周?chē)?，因此材料自身耐磨性、耐酸堿以及腐蝕性能十分優(yōu)良，是作為潤(rùn)滑減磨改性涂層的重要材料。近年來(lái)，該材料在涂層防護(hù)當(dāng)中的應(yīng)用研究也在持續(xù)推進(jìn)。楊廣磊等學(xué)者的主要研究?jī)?nèi)容是針對(duì)含有聚四氟乙烯的潤(rùn)滑油脂的潤(rùn)滑性能，并研究分析了在不同轉(zhuǎn)速、溫度以及荷載情況下，相應(yīng)潤(rùn)滑油脂的減磨原理，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，與低速下制備而成的物理吸附膜相比，高荷載狀態(tài)下構(gòu)建的化學(xué)遷移吸附膜其減磨效果更好，這也說(shuō)明了該材料適合作為高荷載條件下器件的耐磨涂層。此外，也有學(xué)者針對(duì)納米級(jí)聚四氟乙烯顆粒潤(rùn)滑性能展開(kāi)研究并發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)摩擦情況時(shí)，作為鋼球表面的耐磨涂層，納米聚四氟乙烯顆粒在摩擦作用之下，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并由此生成了一層金屬氟化物，有效發(fā)揮了自身耐磨作用，而且當(dāng)聚四氟乙烯顆粒添加量達(dá)到3%時(shí)，還能夠起到抑制材料表面黏著磨損的作用，有助于降低接觸疲勞，這也表明了，相應(yīng)耐磨材料的使用量，對(duì)于涂層的潤(rùn)滑性能有著直接的影響。

2.2 聚硅氧烷

聚硅氧烷的主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在無(wú)毒無(wú)害，而且化學(xué)穩(wěn)定性較好，熱穩(wěn)定性較高，因此多被應(yīng)用在高溫工況下。在實(shí)際進(jìn)行涂層制備的過(guò)程中，有機(jī)硅氧烷會(huì)在水解反應(yīng)之下形成硅醇，并且在加熱條件下，硅醇會(huì)發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，進(jìn)而形成Si-O-Si鍵，并形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)陶瓷涂層而言，這種涂層的耐腐蝕性能相對(duì)更好。Yangshuhan Xu等學(xué)者以碳鋼為例，先通過(guò)對(duì)碳鋼表面進(jìn)行磷化處理，然后使用溶膠-凝膠法制備氟化聚硅氧烷，以此作為材料涂覆，不僅極大地提高了耐磨涂料與基材之間的附著力，而且表面涂層的防腐性能、防污效果也得到了有效保障。

2.3 多官能丙烯酸酯

多官能丙烯酸酯是由三羥甲基丙烷三丙烯酸酯等3官能度或以上的丙烯酸酯單體發(fā)生共聚反應(yīng)制備而成的，該材料的主要優(yōu)點(diǎn)在于良好的耐磨性能?；诖耍恍W(xué)者認(rèn)為提高有機(jī)玻璃的耐磨性能，會(huì)使用這種材料取代甲基丙烯酰胺共聚物。而且相較于傳統(tǒng)耐磨涂層，該材料在玻璃表面有著較強(qiáng)的附著性能，能夠充分發(fā)揮自身防護(hù)屏障作用。此外，為提高材料對(duì)于基材以及無(wú)機(jī)涂層的附著性能，還有學(xué)者通過(guò)在共聚反應(yīng)當(dāng)中引入氨基甲酸酯基團(tuán)的方式，改善材料附著力，因此，也可以通過(guò)這種方式作為有機(jī)玻璃涂覆無(wú)機(jī)硬涂層的基底，以此保障耐磨涂層的防護(hù)效果。

2.4 聚氨酯

聚氨酯簡(jiǎn)稱(chēng)PU，是一種含有聚氨酯鍵的聚合材料，包括軟質(zhì)聚氨酯和硬質(zhì)聚氨酯。其中軟質(zhì)聚氨酯的主要優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)在于穩(wěn)定性、耐化學(xué)性、力學(xué)性能以及回彈性能相對(duì)較好，因此在隔熱、隔音、防毒、防震等方面有著較好的應(yīng)用效果。而硬質(zhì)聚氨酯的主要特點(diǎn)是質(zhì)量小，隔音、隔熱性能好，而且耐腐蝕性、電性較好，便于加工，此外硬質(zhì)聚氨酯的吸水率較低。對(duì)此，有學(xué)者通過(guò)改性的方式，將納米二氧化硅分散體噴涂到半固化有機(jī)硅改性聚氨酯樹(shù)脂上，并通過(guò)提高材料表面微納米粗糙程度，即保障了材料的耐磨性能，同時(shí)也提高了其疏水性能，通過(guò)此方法制備出來(lái)的涂層材料不僅耐磨性較好，而且強(qiáng)度較高，具有超疏水特點(diǎn)。基于聚氨酯涂層自身機(jī)械性能以及化學(xué)穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在當(dāng)前有著極大的研究空間和發(fā)展前途。將該材料與其他不同性能的材料進(jìn)行復(fù)合，能夠針對(duì)不同工況環(huán)境制備出相應(yīng)防護(hù)涂層，不僅能夠有效保障涂層性能，而且還能夠擴(kuò)大涂層應(yīng)用范圍，對(duì)于涂層防護(hù)技術(shù)的發(fā)展和研究有著積極意義。

3 有機(jī)-無(wú)機(jī)耐磨涂層

有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化耐磨涂料實(shí)際上就是借助化學(xué)鍵合的方式，將有機(jī)組分與無(wú)機(jī)組分連接到一起，以此在分子級(jí)上將有機(jī)高分子材料與無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合，促使相應(yīng)耐磨涂料能夠兼具有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的性能優(yōu)勢(shì)，即具備有機(jī)材料的高韌性、可加工性能以及介電性能，同時(shí)也具有無(wú)機(jī)材料剛性、尺寸穩(wěn)定以及熱穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化耐磨涂料研究和應(yīng)用最為廣泛的是聚硅氧烷。這種材料在涂料防護(hù)當(dāng)中的主要作用是保護(hù)金屬基體，起到隔離腐蝕的作用，以此延長(zhǎng)金屬基體使用壽命。隨著對(duì)于有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化耐磨涂料的研究不斷深入，大多數(shù)學(xué)者通過(guò)溶膠-凝膠法合成了多種有機(jī)-無(wú)機(jī)耐磨材料，對(duì)于耐磨涂層的發(fā)展和應(yīng)用起到了極大地推動(dòng)作用。在溶膠-凝膠合成法當(dāng)中，常用的前提為X（CH2）nSi（或）m，其中X代表有機(jī)官能團(tuán)或可水解的烷氧基，在實(shí)際發(fā)生水解反應(yīng)時(shí)，會(huì)生成Si-OH，然后與金屬氫氧化物之間發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而促使耐磨涂層與金屬基體更好地結(jié)合在一起，促使耐磨涂層的防護(hù)作用得到更好地發(fā)揮。與此同時(shí)，Si-OH會(huì)發(fā)生縮聚反應(yīng)，進(jìn)而形成Si-O-Si鍵，該鍵的出現(xiàn)，極大地提高了涂層的交聯(lián)密度，進(jìn)而保障了金屬表面薄膜的致密度，有著較好的防腐作用。

學(xué)者姚玉勇等人以溶膠-凝膠技術(shù)為基礎(chǔ)，探討了固化溫度，以及醋酸催化劑使用量對(duì)于復(fù)合耐磨涂層性能方面的影響，而且通過(guò)將多種硅氧烷進(jìn)行混合，作為有機(jī)前驅(qū)體，進(jìn)行復(fù)合涂層的制備研究。學(xué)者Chen X等人則針對(duì)冷凝過(guò)程中容易造成裂縫，而導(dǎo)致聚硅氧烷類(lèi)涂層的防腐作用有限這一情況，展開(kāi)了研究，他們以溶膠-凝膠法為基礎(chǔ)，借助無(wú)機(jī)相正硅酸乙酯和環(huán)氧材料研制了有機(jī)硅-環(huán)氧樹(shù)脂涂層和預(yù)水解正硅酸乙酯（HTEOS）復(fù)合涂層，并且在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)水解正硅酸乙酯添加量達(dá)到4wt%時(shí)，此方法制備而成的復(fù)合材料有著較好的耐腐蝕性以及抗沖擊性。而學(xué)者M(jìn). Barletta等人則針對(duì)復(fù)合涂料粘附力、耐刮擦性等性能提出了新的制備方法，通過(guò)使用含有甲基苯基的高分子量聚硅氧烷樹(shù)脂，制備Fe3O4型結(jié)構(gòu)鋼的防護(hù)涂層，以此提升防護(hù)涂層的延展性，以此降低材料固化收縮時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而降低涂層開(kāi)裂概率，提升涂層的耐磨性以及耐刮擦性能，達(dá)到延長(zhǎng)防護(hù)涂層使用壽命的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

耐磨材料的研究和開(kāi)發(fā)是促進(jìn)涂層防護(hù)發(fā)展，降低材料磨損的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，不僅能夠有效保護(hù)材料，延長(zhǎng)材料使用壽命，而且還能夠達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的，因此近年來(lái)針對(duì)耐磨材料在涂料防護(hù)當(dāng)中的應(yīng)用研究從未停止，并且逐漸深入。不同的耐磨材料其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)作用不同，在涂層防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用方向也存在一定差異。其中無(wú)機(jī)耐磨材料由于具備較好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，常被應(yīng)用在高溫工況當(dāng)中，但是也存在附著性能較差等缺陷問(wèn)題。而有機(jī)耐磨材料的主要優(yōu)勢(shì)則表現(xiàn)在與基體之間的附著性較好，防腐性能較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但是卻不適用于高溫環(huán)境當(dāng)中，而且與無(wú)機(jī)耐磨材料相比，其硬度、耐磨性等相對(duì)較弱。此外，為解決無(wú)機(jī)或者有機(jī)材料方面的缺陷問(wèn)題，進(jìn)一步拓寬耐磨材料應(yīng)用范圍，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化耐磨涂料也逐漸得到了更多的研究，通過(guò)將無(wú)機(jī)材料顆粒復(fù)合到有機(jī)材料當(dāng)中，以及促使復(fù)合材料兼具有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料優(yōu)勢(shì)，以此達(dá)到良好防護(hù)效果。除此之外，還可以通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)填料進(jìn)行改性處理的方式，有針對(duì)性地提高防護(hù)涂層的性能，例如耐磨性、超疏水特性等，以此提升耐磨涂層的應(yīng)用效果。相信，對(duì)著對(duì)耐磨材料的深入研究，涂層防護(hù)技術(shù)將會(huì)得到更好的發(fā)展，防護(hù)涂層也將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。