一种宽温域自润滑材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及固体自润滑材料领域，具体涉及一种宽温域自润滑材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着纳米技术的迅速发展，纳米材料由于其拥有尺寸小，比表面积大，表面活性高等优点，被广泛的用于摩擦学领域中，以纳米颗粒或者纳米膜的形式存在使其在润滑与磨擦学方面有特殊的降摩减磨及高负荷能力。纳米润滑剂因其小尺度效应，具有比普通润滑剂更优异的摩擦学性能。

传统制备固体自润滑材料多以润滑剂和基体混合粉末烧结而成，这种方法制备自润滑材料的过程中，部分润滑剂会因烧结温度过高发生失效失去润滑性，同时固体润滑剂在基体中的分布会降低材料的强度和硬度，难以兼顾自润滑性能和力学性能。

专利号为200410060662.4的发明专利“一种高温自补偿润滑耐磨材料及其制备方法”采用粉末冶金方法制备出具有贯通孔隙结构特征的金属陶瓷烧结体材料。该材料具有机械强度高、耐磨性好和具有贯通微孔结构特性，是自润滑复合材料理想的基体材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种宽温域高强度自润滑材料及其制备方法，解决现有技术中自润滑材料机械强度和润滑性能相互制约的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明制备方法的技术方案是：

包括以下步骤：

(1)将MoS

(2)将基体A和MoS

(3)将Ag的前驱体溶液通过真空压力浸渍加入到基体C孔隙中，得到基体D；

(4)将基体D和Ag的前驱体溶液放入反应釜中，进行水热反应，生成基体E，将基体E取出清洗后烘干，得到宽温域自润滑材料。

进一步地，步骤(1)中，MoS

进一步地，步骤(1)中，多孔金属陶瓷基体先经过预处理，再进行浸渍；预处理是先将多孔金属陶瓷基体表面打磨抛光，之后再用10wt％～20wt％的稀盐酸超声处理20～40min，再使用无水乙醇超声处理20～40min，最后在60～80℃烘干待用。

进一步地，步骤(1)和步骤(3)中，真空压力浸渍均是先在真空度为0.08～0.1MPa的环境中负压浸渍20～40min，再通入高压氮气，压力控制在0.02MPa～0.05MPa，保持30～60min。

进一步地，步骤(2)中，水热反应是在180～220℃反应22～26h。

进一步地，步骤(2)中，基体B取出后，先用砂纸打磨再用无水乙醇超声清洗5～15min，至基体孔隙露出，烘干得到基体C。

进一步地，步骤(3)中，Ag的前驱体溶液是由硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂中得到的，硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和溶剂的质量比为(1.7～8.5)：(1.7～12.75)：100。

进一步地，Ag的前驱体溶液中，溶剂采用体积比例为(7～4)：(2～5)：(0～1)的水、无水乙醇和吡啶的混合液。

进一步地，步骤(4)中，水热反应是在170～190℃反应22～26h。

如上所述制备方法制得的宽温域自润滑材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1.本发明中多孔金属陶瓷基体具有汗腺式微孔，采用浸渍两步水热合成方法，在基体孔隙中先后合成了MoS

2.采用两次水热反应在基体孔隙中合成复合润滑相，所需设备简单，操作简单易行。分两次水热保证润滑剂进入基体的深度大，填充密实，且不会对基体骨架产生影响，强度高，耐磨性好。

附图说明

图1为本发明所制备的宽温域自润滑材料润滑层断面的图像以及Mo、S(MoS

图2为水热合成MoS

图3多孔金属陶瓷基体以及Ag-MoS

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是使用一种更简单低成本的方式，通过在具有汗腺式微孔的多孔金属陶瓷基体中加入纳米复合润滑剂，制备一种自润滑材料，以满足在宽温域内使用。本发明宽温域自润滑材料的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)将钼酸钠，硫脲粉末溶于去离子水中，充分搅拌使之完全溶解得到MoS

(2)将具有汗腺式微孔的多孔金属陶瓷基体(依据ZL200410060662.4制得)进行预处理，通过真空压力浸渍将上述得到的前驱体溶液加入到基体孔隙中；

多孔金属陶瓷基体的预处理具体方法为：首先将基体表面打磨抛光，之后将多孔金属陶瓷基体用(质量分数10％～20％)稀盐酸超声处理20～40min，再使用无水乙醇超声处理20～40min，在60～80℃的电炉中烘干待用；

真空压力浸渍的具体操作为：首先基体放入烧杯中置于真空压力浸渍箱内，抽真空，真空度保持在0.08～0.1MPa，从真空压力浸渍箱一入口将溶液吸入真空压力浸渍箱内的烧杯中，保持20～40min后，再通入高压氮气，压力控制在0.02MPa～0.05MPa，保持30～60min。

(3)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，180～220℃反应22～26h。待自然冷却到室温后，取出基体将表面的生成物去除，清洗后烘干，表面孔隙露出。

基体表面生成物的去除方式为先用砂纸轻轻打磨，之后用无水乙醇超声清洗5～15min至基体孔隙露出。

(4)将硝酸银，聚乙烯吡咯烷酮溶于水、无水乙醇和吡啶的混合溶液中，充分搅拌使之完全溶解，得到Ag的前驱体溶液；

混合溶液中水、无水乙醇和吡啶的体积比例为7～4：2～5：1。硝酸银:聚乙烯吡咯烷酮:混合溶液的质量比为1.7～8.5：1.7～12.75：100。

(5)将步骤(4)制备的Ag的前驱体溶液通过真空压力浸渍加入到步骤(3)清洗烘干后的基体孔隙中，真空压力浸渍具体操作如步骤2；

(6)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，170～190℃反应22～26h。待自然冷却到室温后，用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干，将基体表面多余物质打磨干净，之后进行抛光处理，即得到一种宽温域自润滑材料。

本发明得到的宽温域自润滑材料是由多孔金属陶瓷基体和纳米MoS

实施例1

一种宽温域自润滑材料的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)称取5.808g钼酸钠，8.208g硫脲粉末溶于120ml去离子水中，充分搅拌使之完全溶解得到MoS

(2)将具有汗腺式微孔的金属陶瓷基体进行预处理，首先将基体表面打磨抛光，之后将多孔金属陶瓷基体用10％稀盐酸超声处理30min，再使用无水乙醇超声处理30min，在80℃的电炉中烘干；之后将其置于烧杯中放入真空压力浸渍箱内，抽真空，真空度保持在0.1MPa，从真空压力浸渍箱一入口将溶液吸入真空压力浸渍箱内的烧杯中，保持30min后，再通入高压氮气，压力控制在0.03MPa，保持30min。

(3)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，220℃反应24h。待自然冷却到室温后，将基体取出，先用砂纸把表面生成物轻轻打磨掉，之后用无水乙醇超声清洗5min后烘干。

(4)将55ml乙醇、55ml水和10ml吡啶混合，将6.12g硝酸银，9.18g聚乙烯吡咯烷酮溶于乙醇、水和吡啶的混合溶液中，充分搅拌使之完全溶解，得到Ag的前驱体溶液；

(5)将步骤(4)制备的Ag的前驱体溶液再次通过真空压力浸渍加入到步骤(3)清洗烘干后的基体孔隙中，真空压力浸渍具体操作如步骤2；

(6)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，180℃反应24h。待自然冷却到室温后，用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干，将基体表面生成物打磨干净，进行抛光，即得到一种宽温域自润滑材料。

实施例2

一种宽温域自润滑材料的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)称取3.485g钼酸钠，4.925g硫脲粉末溶于120ml去离子水中，充分搅拌使之完全溶解得到MoS

(2)将具有汗腺式微孔的金属陶瓷基体进行预处理，首先将基体表面打磨抛光，之后将多孔金属陶瓷基体用10％稀盐酸超声处理30min，再使用无水乙醇超声处理30min，在80℃的电炉中烘干；之后将其置于烧杯中放入真空压力浸渍箱内，抽真空，真空度保持在0.1MPa，从真空压力浸渍箱一入口将溶液吸入真空压力浸渍箱内的烧杯中，保持30min后，再通入高压氮气，压力控制在0.03MPa，保持30min。

(3)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，220℃反应24h。待自然冷却到室温后，将基体取出，先用砂纸把表面生成物轻轻打磨掉，之后用无水乙醇超声清洗5min后烘干。

(4)将55ml乙醇、55ml水和10ml吡啶混合，将8.16g硝酸银，12.24g聚乙烯吡咯烷酮溶于乙醇和水的混合溶液中，充分搅拌使之完全溶解，得到Ag的前驱体溶液；

(5)将步骤(4)制备的Ag的前驱体溶液通过真空压力浸渍加入到步骤(3)清洗烘干后的基体孔隙中，真空压力浸渍具体操作如步骤2；

(6)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，180℃反应24h。待自然冷却到室温后，用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干，将基体表面生成物打磨干净，进行抛光，即得到一种宽温域自润滑材料。

实施例3

一种宽温域自润滑材料的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)称取8.712g钼酸钠，12.312g硫脲粉末溶于120ml去离子水中，充分搅拌使之完全溶解得到MoS

(2)将具有汗腺式微孔的金属陶瓷基体进行预处理，首先将基体表面打磨抛光，之后将多孔金属陶瓷基体用10％稀盐酸超声处理30min，再使用无水乙醇超声处理30min，在80℃的电炉中烘干；之后将其置于烧杯中放入真空压力浸渍箱内，抽真空，真空度保持在0.1MPa，从真空压力浸渍箱一入口将溶液吸入真空压力浸渍箱内的烧杯中，保持30min后，再通入高压氮气，压力控制在0.03MPa，保持30min。

(3)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，220℃反应24h。待自然冷却到室温后，将基体取出，先用砂纸把表面生成物轻轻打磨掉，之后用无水乙醇超声清洗5min后烘干。

(4)将55ml乙醇、55ml水和10ml吡啶混合，将4.08g硝酸银，6.12g聚乙烯吡咯烷酮溶于乙醇、水和吡啶的混合溶液中，充分搅拌使之完全溶解，得到Ag的前驱体溶液；

(5)将步骤(4)制备的Ag的前驱体溶液通过真空压力浸渍加入到步骤(3)清洗烘干后的基体孔隙中，真空压力浸渍具体操作如步骤2；

(6)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，180℃反应24h。待自然冷却到室温后，用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干，将基体表面生成物打磨干净，进行抛光，即得到一种宽温域自润滑材料。

实施例4

一种宽温域自润滑材料的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)称取5.808g钼酸钠，8.208g硫脲粉末溶于120ml去离子水中，充分搅拌使之完全溶解得到MoS

(2)将具有汗腺式微孔的金属陶瓷基体进行预处理，首先将基体表面打磨抛光，之后将多孔金属陶瓷基体用10％稀盐酸超声处理30min，再使用无水乙醇超声处理30min，在80℃的电炉中烘干；之后将其置于烧杯中放入真空压力浸渍箱内，抽真空，真空度保持在0.1MPa，从真空压力浸渍箱一入口将溶液吸入真空压力浸渍箱内的烧杯中，保持30min后，再通入高压氮气，压力控制在0.03MPa，保持30min。

(3)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，220℃反应24h。待自然冷却到室温后，将基体取出，先用砂纸把表面生成物轻轻打磨掉，之后用无水乙醇超声清洗5min后烘干。

(4)将60ml乙醇和60ml水混合，将6.12g硝酸银，9.18g聚乙烯吡咯烷酮溶于乙醇和水的混合溶液中，充分搅拌使之完全溶解，得到Ag的前驱体溶液；

(5)将步骤(4)制备的Ag的前驱体溶液通过真空压力浸渍加入到步骤(3)清洗烘干后的基体孔隙中，真空压力浸渍具体操作如步骤2；

(6)将浸渍后的基体和溶液转移到高压反应釜中，密封后置于烘箱中，180℃反应24h。待自然冷却到室温后，用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干，将基体表面多余物质打磨干净，进行抛光，即得到一种宽温域自润滑材料。

本发明实施例1制备出的自润滑材料压溃强度为807.8MPa，显微硬度为1040HV；在室温～600℃的温域内具有优异的润滑性能，参见表1。试验条件：载荷20N，转速100r/min(0.23m/s)，对偶球为Si

表1本发明宽温域自润滑材料在不同温度时的摩擦系数和磨损率

如上表1所示，实施例1制备的自润滑材料与Si

由实施例1所制备的宽温域自润滑材料润滑层断面的图像以及Mo、S元素(MoS

通过对比本发明所得复合自润滑材料以及多孔金属陶瓷(纯基体)在不同温度(室温、600℃)下摩擦系数随时间变化曲线，结果如图3所示，其中：

a：多孔金属陶瓷在室温下摩擦系数随时间变化曲线；

b：多孔金属陶瓷在600℃下摩擦系数随时间变化曲线；

c：本发明实施例1制得的MoS

d：本发明实施例1制得的MoS

由图3可知，本发明材料在室温和600℃下摩擦系数随时间增加，变化不大，120min内稳定在0.15～0.35之间，波动很小；而多孔金属陶瓷基体在室温下随时间增加摩擦系数呈增大趋势(初始值0.55左右，120min时0.91左右)，600℃随时间增加摩擦系数呈减小趋势(初始值0.75左右，120min时0.68左右)，整体波动范围较大，在0.55～1.0。

对比例1

采用3.84g(24mmol，与实施例1钼酸钠摩尔量相同)MoS

对所得自润滑材料进行测试，发现摩擦系数波动大，特别是室温条件下摩擦系数和金属陶瓷基体接近，这是因为纳米MoS

对比例2

采用5.184g(48mmol,与实施例1硝酸银的摩尔量相同)纳米银加入到120ml水中，通过搅拌超声等方式制备纳米银分散液，通过真空压力浸渍的方式向步骤(3)处理后的基体孔隙中加入纳米Ag分散液，其它步骤同实施例1。

对所得自润滑材料进行测试，在中低温下摩擦系数较低，在600℃下初期摩擦系数较低，短时间后摩擦系数迅速上升。这是由于纳米银颗粒比表面积大，表面能高，容易发生团聚，在水中分散效果很差，从而能够进入基体内部的Ag更少，在高温下无法生成钼酸银等高温润滑相，MoS

对比例3

去掉步骤(2)中预处理过程，直接将MoS

对所制得的自润滑材料进行测试，发现在摩擦初期摩擦系数较低，但是波动较大，在持续几分钟至十几分钟不等时间后，摩擦系数缓慢上升，无法稳定。这主要是由于在进行摩擦学实验前，要对自润滑材料表面进行打磨抛光。由于金属陶瓷基体烧结后，表面粗糙度较大，水热反应之后进行打磨抛光，会使水热反应原位生成润滑剂形成的润滑层厚度减小，润滑剂含量变少，从而导致了这种现象的发生，预处理的目的是为后续加工留有余量。

本发明自润滑材料是在多孔金属陶瓷基体基础上，通过两次水热反应在基体内部贯通孔隙中原位合成MoS

本发明通过二次水热反应在多孔陶瓷基体中合成MoS

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。