碳纤维-MoS2复合涂层的高温摩擦学性能研究*

高 阳 刘思思 廖君慧 刘春荣 刘金刚

(1.湘潭大学机械工程与力学学院 湖南湘潭 411105；2.湖南江滨机器(集团)有限责任公司 湖南湘潭 411100)

二硫化钼(MoS2)化学性质稳定，能够在复杂的环境中发挥稳定的润滑性能，是目前应用最广的固体润滑剂之一[1-2]。然而MoS2不具备良好的耐磨性，在长时间磨损下MoS2涂层容易失效，而引入一种增强材料来提升涂层的耐磨性能是一种有效手段。碳纤维由于其具有优异的力学性能，被广泛用作复合物的增强材料。杨光远[3]使用2种改性碳纤维作为增强相制备了酚醛树脂基复合材料，发现碳纤维有效地增加了复合材料的抗氧化性能。刘高尚等[4]在水性聚酰胺酰亚胺涂层中添加碳纤维，发现添加碳纤维的涂层的耐磨性能有很大的提升。KIM等[5]提出了一种适用于碳纤维增强塑料CFRP复合材料的新型、简单、有效的氧化铝基热障涂层(TBC)，将有助于扩大复合材料在高温条件下的应用。李为民等[6]采用碳纤维颗粒对超疏水复合涂层进行增强，发现添加碳纤维颗粒后涂层的耐磨性能有了明显的提高。翁艺航等[7]在高低温循环的条件下对碳纤维基底真空沉积涂层进行了试验，发现该涂层可以在高低温循环的环境下可靠地工作。李静等人[8]通过在复合散热涂料中加入碳纤维，发现适量的碳纤维可以保证涂层的耐高温性。FU等[9]发现在PEEK中加入不锈钢纤维和碳纤维可使得复合材料在高温下具有良好的稳定性。梁磊等人[10]发现碳纤维增强的环氧树脂复合材料具有较好的耐热性能。GUO等[11]通过研究表明了随着温度的变化，碳纤维与环氧涂料之间的物理化学相互作用对碳纤维力学性能产生了一定的影响。目前，环氧碳纤维复合材料在碳纤维复合材料中的应用高达90%[12]，它是以树脂为基体、碳纤维为增强材料的一种新型材料，具有比强度高、密度低、耐摩擦、抗疲劳、耐高温、耐腐蚀等优点[13-20]。本文作者研究使用的MoS2涂料主要成分为树脂及MoS2，因此可以在涂料中添加纳米碳纤维来制备高性能复合涂层，通过优化涂层的成分来提升涂层在复杂工况下耐磨、抗高温变形等性能，从而延长涂层的使用寿命，保护机器的关键零部件[21-24]。上述研究表明，添加碳纤维的复合涂层的耐磨性能、耐热性能能够得到一定的提升，但其在高温下的磨损机制还有待进一步分析研究。

为了探究纳米碳纤维对MoS2涂料摩擦学性能的影响，本文作者通过添加不同比例纳米碳纤维制备了MoS2复合涂层，在不同温度下对复合涂层进行摩擦磨损实验，得到碳纤维的最优添加比例，并进一步分析了该复合涂层的磨损机制。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验材料包括纳米碳纤维(Carbon Fiber,CF)、MoS2涂料(主要成分为MoS2与环氧树脂)、铝合金基体。其中CF由北京德科岛金科技有限公司提供，MoS2涂料由湖南新润特材料有限公司提供，铝合金样块由湖南江滨机器(集团)有限责任公司提供。

1.2 涂料制备

按比例称量 MoS2涂料、CF，初步混合后，置于磁力搅拌器上搅拌0.5 h。搅拌完成后，将涂料静置24 h，待其内部空气排出后，得到MoS2复合涂料试样。采用上述方法分别制备了CF质量分数为0、0.5%、1%、1.5%、2%的复合涂料试样。

1.3 涂层制备

试验基体为10 mm×10 mm×5 mm的铝合金样块。预制备涂层的样块表面先经过精磨，并且在磷酸盐溶液中进行磷化处理，然后将搅拌均匀且去除空气的复合涂料刷涂至样块表面。刮板刮涂速度为0.1 m/s，涂层厚度为(80±10)μm，并在200 ℃条件下固化2 h，具体制备流程如图1所示。

图1 涂层制备工艺

1.4 结构及性能测试

采用场扫描电镜SEM(Sigma500，ZEISS)对CF及MoS2粉末进行形貌分析。采用综合摩擦磨损测试仪(CFT-I，兰州中科凯华科技开发有限公司)在不同温度下考察涂层摩擦学性能。采用超景深显微镜(VH-2000C，Keyence)对涂层表面宏观磨痕形貌进行分析并对其磨痕深度进行测量。

采用高速往复摩擦磨损试验机开展摩擦试验，上试样为直径5 mm的钢球，下试样为试验样块。试验在干摩擦条件下进行，采用往复点接触模式，载荷为5 N，速度为300 r/min，对摩时间为30 min，试验温度分别为20、50、100、200 ℃。

2 结果及讨论

2.1 粉末形貌

经SEM观测，CF和MoS2粉末的形貌如图2所示。CF为柱状结构，长度150～300 μm，直径30～50 nm。MoS2为不规则层状结构，颗粒尺寸5～10 μm。

图2 CF和MoS2粉末SEM形貌

2.2 摩擦学性能

2.2.1 CF含量对涂层摩擦因数的影响

图3所示为5 N载荷及干摩擦条件下，不同质量分数CF增强涂层在不同温度下的平均摩擦因数。在温度为20～100 ℃时，温度对涂层整体性能的影响较小，因此摩擦因数在该温度范围内变化规律基本一致。涂层的摩擦因数随CF质量分数的增大呈现先增大后减小的趋势，在CF质量分数为1.5%时涂层的摩擦因数最大，这是因为涂层内部的碳纤维网状骨架结构[8]在增强耐磨性的同时增大了切向应力，导致涂层表面的摩擦因数增大。而当CF质量分数为2%时，由于CF含量过大，使得涂层树脂与纤维结合强度减弱，导致涂层表面树脂脱落较为容易，在摩擦过程中涂层内部出现层间滑动，从而使得摩擦因数有了一定的减小，但此时磨损会加剧。当温度为200 ℃时，涂层摩擦因数随CF质量分数的增大不断增大，当CF质量分数为2%时，在高温下涂层内部产生较多的热应力，涂层的软化效应使得摩擦副间的黏着性能增强，同时磨屑中含有大量的CF，MoS2自润滑效果下降，共同导致了涂层的摩擦因数增大。

图3 涂层在5 N载荷及不同温度下的平均摩擦因数

2.2.2 CF含量对涂层磨损性能的影响

在不同温度下，对添加不同质量分数CF的涂层进行磨损性能分析，各试件表面涂层磨痕深度如图4所示。在不同试验温度下，随涂层中CF质量分数的增加，涂层的磨痕深度先增大后逐渐减小，在CF质量分数增大至2%时，涂层的磨痕深度再次增大。在0.5%～1.5%范围内随CF质量分数的增加，涂层的磨痕深度逐渐减小，即涂层的耐磨性能逐渐增强。但在CF质量分数为0.5%～1%时，磨痕深度均大于未添加CF的涂层。当CF质量分数继续增大至2%时，涂层的磨痕深度开始增大，即涂层耐磨性能下降。当温度在100 ℃以下时，不同涂层磨痕深度变化趋势大致一致，即随着温度的升高，磨痕深度先略微降低后增大，这同样是由于摩擦过程中涂层内部出现层间滑动，导致磨损加剧。然而当温度为200 ℃时，磨痕深度大幅增大，且不同CF质量分数对磨痕深度的影响显著。如CF质量分数为1.5%时，涂层磨痕深度相较0.5%、1%、2%的涂层磨痕深度降低了50%以上(即平均磨痕深度从(85±5)μm减小为38.7 μm)，与未添加CF的涂层磨痕深度(64.2 μm)相比减小了39.7%。为了分析高温条件下涂层的磨损规律，需要进一步探究200 ℃时添加不同CF质量分数涂层的磨损性能。

图4 不同温度下的涂层磨痕深度

2.3 高温下涂层磨损机制分析

图5所示为200 ℃高温下，不同CF质量分数增强涂层的磨损形貌。图6所示为涂层磨痕的三维形貌。由图5(a)可以看出，未添加CF的涂层的磨痕两端有明显的犁皱和少量微裂纹，但其并没有被磨穿至基体，这表明该涂层在高温下会产生一定变形。由图5(b)可以看出，CF质量分数为0.5%的涂层出现了较大面积的磨损，磨痕边缘出现了不规则变形，并且已经磨损至基体，基体表面出现了明显的划痕。在摩擦过程中，涂层产生了明显的犁皱现象，且涂层内部产生了与滑动速度方向垂直的微裂纹。由图5(c)可以看出，CF质量分数1%的涂层磨损变形程度有所减小，在相同磨损时间内，基体表面磨痕减轻，这表明涂层的抗高温变形能力和耐磨性能逐渐增强，但犁皱现象仍然明显。由图5(d)可以看出，CF质量分数为1.5%的涂层其磨损程度最低，涂层的磨痕两端产生了少量裂纹，且未出现明显的犁皱现象，表明此时涂层的抗高温变形能力得到显著提高。当CF质量分数增大至2%时，如图5(e)所示，涂层在高温下的磨损变形最大，且基体表面磨痕长度最长，此时涂层的抗高温变形能力与耐磨性能急剧下降。由图6可知，涂层磨痕上下两侧的犁皱高度出现了较大变化。CF质量分数从0.5%增加至1.5%时，犁皱高度逐渐减小，当CF质量分数继续增大至2%时，犁皱高度突然增大。CF质量分数为0、0.5%、1%、1.5%、2%的涂层的犁皱高度分别为37.52、129.6、80.38、28.02、140.1 μm，即CF质量分数为1.5%时，涂层的犁皱高度最小，相比未添加CF的涂层，降低了24.6%。

图5 高温下涂层的磨损形貌

图6 200 ℃下涂层磨痕三维形貌

由于在200 ℃时，CF质量分数分别为0.5%、1%、2%的涂层被磨穿至基体，因此需要结合图5中磨痕与其周围的变形区的综合磨损变形面积来综合评价涂层的耐磨性与耐热性。由图7可知，未添加CF的涂层的磨损变形面积为7.39 mm2；CF质量分数从0.5%增加至1.5%时，涂层的磨损变形面积逐渐减小为5.79 mm2；CF质量分数为2%时，涂层的磨损变形面积为13.55 mm2。CF质量分数为1.5%的涂层的磨损变形面积相较于未添加CF的涂层减少了21.6%。

图7 200 ℃下涂层的磨损变形面积

由于碳纤维能够在涂层内部形成网状骨架结构，构成传热网络[8]，因此在200 ℃高温条件下，CF质量分数对涂层耐热性能和耐磨性能影响较大。图8所示为高温下涂层内部热量传导示意图。未添加CF的涂层，其为一个完整的涂层，内部不会出现温差，在磨痕深度、变形程度上相对于添加0.5%CF涂层较小。由图8(a)可知，由于CF的添加量太少，并不能在涂层内部形成完整的耐磨结构，同时CF传热网络不完整，导致涂层内部的CF分布区域与未分布区域出现温差，使得该涂层在高温下的磨损变形大于未添加涂层。由图8(b)可知，当CF质量分数增加至1%，依靠CF的传热网络在逐渐完善，使得涂层在高温下的磨损变形减小。然而由于传热网络仍不完整，在高温下部分CF和树脂会产生热应力而分离，从而在磨损过程中出现裂纹。由图8(c)可知，当CF质量分数增加到1.5%时，涂层内部的CF网络较为均匀，能够较好地传递热量，从而可以减少由于局部热应力集中导致的树脂和纤维脱黏产生的裂纹，使得涂层在高温下保持了良好的稳定性，磨损变形相对于其他几种试样较小。由图8(d)可知，当CF质量分数增加至2%时，因涂层内部的CF出现了聚集性分布，在高温下涂层内部产生较多的热应力，使得树脂产生一定程度的软化，进而导致了树脂和纤维脱黏，涂层的耐磨、耐热性能迅速下降。

图8 高温下涂层内部热量传导示意

综上所述，CF质量分数为1.5%的涂层因为内部CF的分布及其组成的结构较为合理，在200 ℃时，能够保证涂层内部的结构稳定，相较于其他CF增强涂层，具有更好的耐磨性能和抗高温变形能力。

3 结论

(1)在温度为20～100 ℃时，温度对涂层整体性能的影响较小，涂层的摩擦因数随CF质量分数的增大呈现先增大后减小的趋势，在CF质量分数为1.5%时涂层的摩擦因数最大；当温度为200 ℃时，涂层摩擦因数随CF质量分数的增大不断增大。

(2)在温度为20～100 ℃时，涂层磨痕深度随CF质量分数的增大呈现先增大后减小再增大的趋势，当CF质量分数为1.5%时涂层的磨痕深度最小；当温度为200 ℃时，磨痕深度大幅增大，且不同CF质量分数对磨痕深度的影响显著，当CF质量分数为1.5%时，涂层可以稳定发挥作用，其磨痕深度最小，耐磨性能最好。

(3)添加不同质量分数CF的涂层，在200 ℃下表现出不同的抗高温变形能力，当CF质量分数为1.5%时磨损变形面积最小，抗变形能力最强。