中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

    聚合物复合材料由于性能可设计、自润滑性能，还具有承载能力高、质量轻和加工性能好、耐磨等特点，在高技术工业领域发挥着越来越重要的作用，尤其是在燃油系统中的使用，能够降低甚至避免金属-金属摩擦副带来的不良影响。除材料本身应具有好的耐磨性能外，摩擦界面高润滑特性转移膜的形成对提高混合和边界润滑条件下材料摩擦学性能、延长其服役寿命具有重要作用。

    本研究分别以Cu、CuO、CuS、WS₂、AlN等微纳米颗粒为聚合物复合材料的功能填料，研究以上功能填料对聚合物复合材料在柴油边界/混合润滑状态下摩擦学性能的影响，通过SEM、EDX、XPS等表面分析技术深入表征摩擦化学和影响聚合物复合材料摩擦学性能的机理，揭示微纳米颗粒对柴油润滑条件下转移膜及其润滑特性的影响机制。得出的主要结论有：

   （1）柴油润滑状态下，加入单一填料SCF、Cu、CuO和CuS后，PPS复合材料的摩擦学性能都有不同程度的提高。加入SCF后，PPS表现出最好的耐磨性；Cu和CuS微粉的加入能够显著降低PPS的摩擦系数。添加复合填料SCF/Cu、SCF/CuS后，PPS复合材料表现出最小的摩擦系数。试样PPS/5SCF/5CuS同时表现出低摩擦系数和高耐磨性。SCF和CuS协同提高PPS的摩擦学性能。SCF作为增强相，提高材料的承载能力和耐磨性。CuS在界面发生摩擦化学反应，促进润滑特性转移膜的形成。Gr能够有效降低SCF增强PPS复合材料的摩擦系数，然而磨损率有所增大。

   （2）六方结构的WS₂或AlN纳米颗粒能够明显提高PPS/SCF/Gr的摩擦学性能，纳米颗粒的加入有助于对偶面上连续转移膜的形成，能够增强摩擦副之间的边界润滑能力，试样PPS/SCF/Gr/AlN表现出最佳的摩擦学性能，PPS基体和不锈钢对偶、AlN纳米颗粒之间的摩擦化学反应对转移膜的形成起到重要的作用。相比TiO₂、BN纳米颗粒，WS2纳米颗粒能够促进对偶面上转移膜的形成，有效提高SCF增强PEEK复合材料的摩擦学性能。前两者硬度较大，加入到PEEK复合材料里，使得试样磨粒磨损严重，降低PEEK复合材料的摩擦学性能。

   （3）柴油的流量对试样PPS/SCF/Gr/WS₂以及PEEK/10SCF/5WS₂的摩擦学性能影响较大。相比干摩擦和足量柴油润滑条件，当仅有少量柴油时，试样具有最小的摩擦系数和磨损率，这是由于对偶面上高性能转移膜的固体润滑和柴油液体润滑的共同作用，使得试样表现出最佳的摩擦学性能。在连续变速摩擦过程中，较高的速度下，WS2纳米颗粒能够显著提高PEEK/10SCF的摩擦学性能；在低速条件下，WS2纳米颗粒的加入破坏转移膜的结构，降低了聚合物复合材料的摩擦学性能。整个变速摩擦过程，随着WS2纳米颗粒的增加，磨损率逐渐降低。

   （4）高润滑特性转移膜的形成对边界、混合润滑状态下聚合物复合材料摩擦学性能的提高具有积极作用。材料转移和摩擦化学是导致转移膜形成的主要机理。通过摩擦化学的有效调控，促进高润滑特性转移膜在摩擦界面的形成，可能是设计制备高性能柴油润滑复合材料的关键。