一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层，是将二维纳米片与纳米颗粒通过简单的球磨预处理工艺，主动控制形成纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构，进一步将纳米卷润滑相组分与粘结剂复合制备成固体粘结涂层，利用纳米卷结构在摩擦界面的微球滚动效应，实现了超润滑特性。与常用的钢材料配副摩擦系数降低到0.01以下，较常规固体润滑材料0.1左右的摩擦系数低1‑2个数量级。本发明的优点是制备方法简单易行，材料体系简单，适用于工程化零件和运行条件下推广应用。同时本发明获得的特殊纳米卷曲结构的复合润滑剂组分还可以作为新型润滑添加剂加入到润滑油中发挥显著的减摩效果。

权利要求

1.一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，包括工艺以下步骤：（1）纳米卷结构润滑相的制备：将二维纳米片粉末和纳米颗粒粉末混合均匀后加入球磨罐进行球磨处理，得到二维纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构的复合物；所述二维纳米片材料为石墨烯、MoS2、WS2、h‑BN，二维纳米片的层数小于50 层；纳米颗粒为SiO2、Al2O3、Sb2O3、金刚石颗粒，纳米颗粒的直径的尺寸小于150 nm；二维纳米片粉末与纳米颗粒粉末的质量比为1:0.1 1:20；

~

（2）复合物分散液的制备：将步骤（1）制备的二维纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构复合物分散在无水乙醇中，为了增强分散液与基材的结合力，在分散液中加入树脂粘结剂，再超声分散均匀，得到复合物分散液；树脂粘结剂为聚酰胺酰亚胺树脂、环氧树脂或聚酰亚胺树脂；

（3）复合超润滑涂层的制备：利用常规的涂料涂装方法，将步骤（2）制备的复合物分散液在压缩空气或压缩氮气下喷涂在基材表面，空气中表干即可。

2.如权利要求1所述一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，其特征在于：球磨处理的球的材质为陶瓷球，球料体积比范围为1 : 0.05   1: 20，球磨转速为60   ~ ~

1000 rpm，球磨时间为0.5   10 h。

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3.如权利要求1所述一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，其特征在于：二维纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构复合物的质量浓度为500 2000 mg/L分散在无~

水乙醇中。

4.如权利要求1所述一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，其特征在于：在分散液中加入树脂粘结剂，且树脂粘结剂与纳米卷结构复合物的质量比在1:0.05 1:~

20的范围之内。

5.如权利要求1所述一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，其特征在于：超声分散的超声功率500  1500 W，超声时间为5 60 min。

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6.如权利要求1所述一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，其特征在于：基材上喷涂涂层的厚度为1 30微米。

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说明书

一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种复合超润滑涂层，尤其涉及一种纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，属于表面润滑技术领域。

背景技术

[0002] 摩擦磨损是运动机械普遍存在的现象，据统计摩擦消耗全球1/3的一次能源，磨损导致机械部件的4/5失效，摩擦磨损损失占工业化国家GDP的5% 7%。同时在高技术领域，摩
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擦磨损问题是造成设备故障，制约其可靠性的主要原因。美国NASA研究报告表明：相当比例
的空间机械部件的失效都与摩擦磨损问题有关。润滑是解决摩擦能耗和材料磨损问题最主
要的技术途径。而“超润滑”是近些年来提出的一种能够极大突破现有材料润滑性能极限的
‑3
新概念技术，理论上为零，工程实践上摩擦系数可低至0.01以下即10 量级，较常规固体润
滑材料0.1左右的摩擦系数低1‑2个数量级。因此，超润滑技术的发展不仅对于节能降耗、促
进国民经济发展具有深远的意义，而且还将对高技术装备设计和运行可靠性产生革命性的
进步。

[0003] 2015年，美国Argonne国家实验室研究人员于在Science期刊（D. Berman, S. A. Deshmukh, S. K. Sankaranarayanan, A. Erdemir, A. V. Sumant. Science 2015, 
348, 1118）上报道了石墨烯和纳米金刚石颗粒复合与类金刚石碳膜配副可以在宏观接触
条件下获得超润滑性能（摩擦系数低至0.004）。原理是摩擦过程中，石墨烯自发卷绕在金刚
石颗粒上形成纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构，该结构可以起到纳米滚动轴承的作用，
与类金刚石薄膜配副展现出超低的摩擦系数。但不足之处是：①形成石墨烯卷绕金刚石复
合结构依赖于一定的摩擦试验条件，只有在合适的条件范围内才能展现出超低摩擦系数，
形成纳米卷结构的稳定性和条件适应性差，导致获得的超润滑态寿命较短。② 材料体系复
杂，依赖于石墨烯、纳米颗粒和类金刚石薄膜配副材料，这些均极大地限制了其工程实用
化。因此，如何直接制备出具有特殊卷曲结构的纳米材料复合物，能够实现将接触界面之间
摩擦系数跨量级降低，对于工程尺度上超润滑的获得以及超润滑技术的发展将起到重要的
推动作用，具有重要的工程应用价值。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，以实现接触界面之间摩擦系数低至0.01以下。

[0005] 一、具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备

[0006] 本发明具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的制备方法，包括工艺以下步骤：

[0007] （1）纳米卷结构润滑相的制备

[0008] 将二维纳米片粉末和纳米颗粒粉末混合均匀后加入球磨罐进行球磨处理，得到二维纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构的复合物。

[0009] 其中，二维纳米片材料可以为石墨烯、MoS2、WS2、h‑BN，二维纳米片的层数小于50 层。纳米颗粒可以为SiO2、Al2O3、Sb2O3、金刚石等实心结构的颗粒，纳米颗粒的直径的尺寸小
于150 nm。二维纳米片粉末与纳米颗粒粉末的质量比范围为1:0.1 1:20。
~

[0010] 采用球磨处理时，球的材质需为陶瓷球，如氧化铝、氮化硅，碳化钨。球料体积比范围为1 : 0.05   1: 20，球磨转速为60   1000 rpm，球磨时间为0.5   10 h。
~ ~ ~

[0011] （2）复合物分散液的制备

[0012] 将步骤（1）制备的二维纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构复合物以500 2000 mg/~
L分散在无水乙醇中，再超声分散均匀，得到复合物分散液。

[0013] 为了增强分散液与基材的结合力，在分散液中加入树脂粘结剂。树脂粘结剂可以为聚酰胺酰亚胺树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂。树脂粘结剂与纳米卷结构复合物的质量比
在1:0.05 1:20的范围之内。
~

[0014] 超声分散时的超声功率500 1500 W，超声时间为5 60 min。~ ~

[0015] （3）复合超润滑涂层的制备

[0016] 利用常规的涂料涂装方法，将步骤（2）制备的复合物分散液在压缩空气（无油）或压缩氮气下喷涂在基材表面，空气中表干即可。

[0017] 基材材质可选自钢、钛合金、铝等金属，也可选自氧化铝、氧化硅、氮化硅等陶瓷。基材上喷涂涂层的厚度为1 30微米。
~

[0018] 二、具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的微观结构

[0019] 图1为本发明球磨处理后形成的纳米卷特殊结构的典型透射电子显微镜形貌图。可以看出，二维纳米片紧密的包裹到实心的纳米颗粒表面，形成了数十纳米尺寸的球状纳
米卷结构，该结构的形成在摩擦界面可以发挥微球滚动效应，对于获得超润滑特性至关重
要。

[0020] 三、具有纳米卷曲结构的复合超润滑涂层的超润滑性能

[0021] 在球‑盘摩擦试验机上进行评测，以本发明制备的平面样品为下试样，以商品化钢球（Ф6 mm, GCr15）为上试样。采用单向旋转模式，干燥氮气（800 mbar）气氛环境中，旋转
半径3 mm，旋转速度保持为60 rpm，最大赫兹接触压力约为0.8 GPa。

[0022] 图2为本发明制备的复合润滑涂层的超润滑性能测试曲线。图2的摩擦系数测试结果显示，本发明制备的复合超润滑涂层的摩擦系数可以稳定低至0.01以下。

[0023] 综上所述，本发明将二维纳米片与纳米颗粒通过机械球磨处理，主动控制形成纳米片包裹纳米颗粒的纳米卷结构，进一步将纳米卷润滑相组分与粘结剂复合制备成固体粘
结涂层，利用纳米卷结构在摩擦界面的微球滚动效应，实现了超润滑特性，能够实现与常用
的钢配副使摩擦系数降低到可以忽略的程度（较常规固体润滑材料0.1左右的摩擦系数低
1‑2个数量级），适用于工程化零件和运行条件下推广应用。同时本发明获得的特殊纳米卷
曲结构的复合润滑剂组分还可以作为新型润滑添加剂加入到润滑油中发挥显著的减摩效
果。

附图说明

[0024] 图1为本发明球磨处理后形成的纳米卷特殊结构的透射电子显微镜形貌图。

[0025] 图2为本发明制备的复合润滑涂层的超润滑性能测试曲线。

具体实施方式

[0026] 下面通过具体实施例对本发明复合超润滑涂层的制备及性能作进一步说明。

[0027] 实施例1

[0028] （1）按照质量比1:5称取MoS2纳米片粉末（MoS2纳米片的层数约为20 层）和Al2O3纳米颗粒粉末（Al2O3纳米颗粒的直径尺寸大小约为80 nm）；将上述两种粉末混合均匀后置于
球磨罐中进行球磨处理，其中球磨球的材质为氧化铝，MoS2纳米片以及Al2O3纳米颗粒的总
体积与球磨球的体积比为1:10；球磨过程中转速为100 rpm，球磨时间为10 h得到MoS2纳米
片包裹Al2O3纳米颗粒纳米卷结构的复合物，备用；

[0029] （2）将步骤（1）制备的MoS2纳米片包裹Al2O3纳米颗粒纳米的卷结构复合物0.2 g加入到100 ml无水乙醇中，分散液中加入聚酰胺酰亚胺树脂粘结剂，聚酰胺酰亚胺树脂粘结
剂与纳米卷结构复合物的质量比为1:0.5，搅拌分散均匀后置于功率为500 W的超声机中超
声5 min，获得MoS2纳米片负载Al2O3纳米颗粒纳米卷结构的复合物分散液，备用；

[0030] （3）采用常规的涂料涂装方法，将步骤（2）获得复合物分散液在压缩空气（无油）下喷涂在钢基材表面，喷涂膜层厚度为4微米，在空气中表干；

[0031] （4）采用前述方法测定摩擦性能。测试结果：摩擦系数0.006。

[0032] 实施例2

[0033] （1）按照质量比1:15称取石墨烯纳米片（石墨烯纳米片的层数约为10 层）和SiO2纳米颗粒粉末（SiO2纳米颗粒的直径尺寸大小约为30 nm）；将上述两种粉末混合均匀后置
于球磨罐中进行球磨处理，其中球磨球的材质为碳化钨，石墨烯纳米片以及SiO2纳米颗粒
的总体积与球磨球的体积比为1:0.1；球磨过程中转速为400 rpm，球磨时间为0.5 h，得到
石墨烯纳米片包裹SiO2纳米颗粒纳米卷结构的复合物，备用；

[0034] （2）将步骤（1）制备的石墨烯纳米片包裹SiO2纳米颗粒的纳米卷结构复合物0.1g加入到200 ml无水乙醇中，在分散液中加入环氧树脂粘结剂，环氧树脂树脂粘结剂与纳米
卷结构复合物的质量比为1:15，搅拌分散均匀后置于功率为1000 W的超声机中超声60 
min，得到石墨烯纳米片包裹SiO2纳米颗粒纳米卷结构的复合物的分散液，备用；

[0035] （3）采用常规的涂料涂装方法，将步骤（2）获得的复合物分散液在压缩空气（无油）下喷涂在钢基材表面，喷涂膜层厚度为15微米，在空气中表干；

[0036] （4）采用前述方法测定摩擦性能。测试结果：摩擦系数0.008。

[0037] 实施例3

[0038] （1）按照质量比1:0.5称取WS2纳米片（WS2纳米片的层数约为30 层）和Sb2O3纳米颗粒粉末（Sb2O3纳米颗粒的直径尺寸大小约为130 nm）；将上述两种粉末混合均匀后置于球磨
罐中进行球磨处理，其中球磨球的材质为氮化硅，WS2纳米片以及Sb2O3纳米颗粒的总体积与
球磨球的体积比为1:1；球磨过程中转速为600 rpm，球磨时间为8 h，得到WS2纳米片包裹
Sb2O3纳米颗粒纳米卷结构的复合物，备用；

[0039] （2）将步骤（1）制备的WS2纳米片包裹Sb2O3纳米颗粒纳米卷结构的复合物0.15g加入到100 ml无水乙醇中，在分散液中加入聚酰亚胺树脂粘结剂，聚酰亚胺树脂粘结剂与纳
米卷结构复合物的质量比为1:1，搅拌分散均匀后置于功率为1500 W的超声机中超声30 
min，得到WS2纳米片包裹Sb2O3纳米颗粒纳米的卷结构复合物分散液，备用；

[0040] （3）采用常规的涂料涂装方法，将步骤（2）获得的复合物分散液在压缩空气（无油）下喷涂在钢基材表面，喷涂膜层厚度为26微米，在空气中表干；

[0041] （4）采用前述方法测定摩擦性能。测试结果：摩擦系数0.009。

[0042] 实施例4

[0043] （1）按照质量比20:1称取h‑BN纳米片（h‑BN纳米片的层数约为50 层）和金刚石纳米颗粒粉末（金刚石纳米颗粒的直径尺寸大小约为10 nm）；将上述两种粉末混合均匀后置
于球磨罐中进行球磨处理，其中球磨球的材质为氧化铝，h‑BN纳米片以及金刚石纳米颗粒
的总体积与球磨球的体积比为1:20；球磨过程中转速为900 rpm，球磨时间为2 h，得到h‑BN
纳米片包裹金刚石纳米颗粒的纳米卷结构复合物，备用；

[0044] （2）将步骤（1）制备的h‑BN纳米片包裹金刚石纳米颗粒的纳米卷结构复合物0.05g加入到100 ml无水乙醇中，在分散液中加入聚酰胺酰亚胺树脂，聚酰胺酰亚胺树脂粘结剂
与纳米卷结构复合物的质量比为1:5，搅拌分散均匀后置于功率为500 W的超声机中超声10 
min，得到h‑BN纳米片包裹金刚石纳米颗粒纳米卷结构的复合物的分散液，备用；

[0045] （3）采用常规的涂料涂装方法，将步骤（2）获得的复合物分散液在压缩空气（无油）下喷涂在钢基材表面，喷涂膜层厚度为2微米，在空气中表干；

[0046] （4）采用前述方法测定摩擦性能。测试结果：摩擦系数0.010。