微/纳米机固-液复合材料的制备及其性能研究

路丹丹

(西北民族大学，甘肃 兰州 730100)

随着航空航天、微/纳米技术以及磁记录技术的发展，许多微/纳电机的高精密运动表面以及超高密度存储磁盘的磁头和磁盘界面处于带电状态，电流会通过润滑界面影响润滑效果[1]。传统的润滑方案主要有两种，液体润滑和固体润滑。固体润滑具有结构简单、使用温度范围宽等优点，但其润滑寿命有限。液体润滑具有承载能力大、传热性能好等优点，但温度使用范围窄。利用固体润滑材料与液体润滑材料的协同效应可以弥补单一润滑剂的缺点，明显改善摩擦副的摩擦学性能，提高运动部件的使用寿命。

类金刚石薄膜具有高硬度，低摩擦和优异的耐磨性，耐腐蚀性，高弹性模量和高化学惰性等特点，是一类应用前景广阔的润滑材料[2]。磷酸二丁酯四丁胺作为一种离子液体，具有极低的蒸气压，很宽的温度范围，不可燃性，优异的热稳定性和高导电性等优点，是一类潜在的润滑剂。本研究将类金刚石薄膜引入到摩擦副基底与离子液体之间，与离子液体组成固-液复合润滑体系，考察其在电场作用下固-液复合润滑特性。类金刚石薄膜的存在可以有效隔离基底与离子液体，减缓或阻止腐蚀发生。

1 实验部分

Cr掺杂的类金刚石薄膜(Cr-a-C:H)采用多靶位磁控溅射系统制得，磷酸二丁酯四丁胺离子液体采用文献的方式合成[3]。采用旋涂法将磷酸二丁酯四丁胺离子液体润滑剂均匀地涂覆在沉积好的类金刚石薄膜上，制得固-液复合润滑体系。使用傅立叶变换红外光谱仪(FTS-40型，美国Bio-Rad公司)对合成的磷酸二丁酯四丁胺进行红外光谱测定。使用UMT-2MT摩擦试验机来评价固-液复合润滑体系在不同电场强度下的摩擦磨损性能。滑动方式为往复滑动，摩擦对偶选择直径为3 mm的GCr15钢球，单次滑动行程为5 mm，滑动频率为3 Hz，法向载荷为5 N，测试温度为室温。外部电压通过直流稳压电源直接施加到上试件与下试件之间，通电极性以摩擦副上的钢球连接正极时示为正，以摩擦副上的钢球连接负极时示为负。测试过程中上试件和下试件均与试验机的其它部分绝缘。

2 结果与讨论

图1 磷酸二丁酯四丁胺结构示意图

图2 磷酸二丁酯四丁胺的红外谱图

图1为磷酸二丁酯四丁胺离子液体的结构示意图，图2为磷酸二丁酯四丁胺离子液体的红外谱图。由图分析可知， 3392 cm-1处为N-H伸缩振动吸收峰，2961 cm-1处是C-H伸缩振动吸收峰，1235 cm-1处是C-O伸缩振动吸收峰，1077 cm-1处为C-N伸缩振动吸收峰，973 cm-1处是P-O伸缩振动吸峰。

图3 不同电位下固-液复合润滑材料与钢球对磨的 摩擦系数曲线

图3为不同电位下固-液复合润滑材料与钢球对磨的摩擦系数曲线。由图分析可知，复合润滑体系的摩擦系数在没有施加外电压条件下的数值最大，在电位+0.5 V时，复合润滑体系具有最低的摩擦系数，随着电位的增加摩擦系数呈现先减小后增大的趋势，且较正的表面电位下的摩擦系数低于较负的表面电位下的数值，因此施加合适的电场能获得良好的润滑性能，实现电控摩擦。分析原因可能是外加电压使得摩擦对偶间的双电层厚度增加，正表面电位条件下，通过静电吸附作用吸附大量的磷酸酯阴离子，其中活性磷元素能与金属基底形成具有减摩抗磨性能的化学反应膜。当施加电压继续增高时，其摩擦系数有增大趋势。在负表面电位时，薄膜表面以四丁胺阳离子的静电吸附为主。磷酸酯阴离子中磷的活性大于四丁胺阳离子氮的活性，所以较正电位下的摩擦系数低于较负电位下的摩擦系数。