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超润滑技术的发展现状

材料导报 2021年第9期35卷 9150-9156页

作者：刘兴光张凯锋周晖冯兴国郑玉刚兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730010

超润滑的概念由日本科学家平野元九教授于1990年提出。2004年,人们在实验室条件下首次观察到纳米尺度下的超润滑现象。此后,国际上关于超润滑的研究变得越来越热,以石墨烯为代表的多种二维材料由于在原子和分子层尺度展现出独特的摩擦... 详细信息

超润滑的概念由日本科学家平野元九教授于1990年提出。2004年,人们在实验室条件下首次观察到纳米尺度下的超润滑现象。此后,国际上关于超润滑的研究变得越来越热,以石墨烯为代表的多种二维材料由于在原子和分子层尺度展现出独特的摩擦学性质,成为超润滑研究领域的主要材料。然而,目前所观察到的可以展现出超润滑性能的材料的尺寸基本都处在纳米-微米尺度(尽管长达厘米级的双壁碳纳米管也表现出超润滑性能,但其为一维材料,在垂直于轴向的两个维度上仍然为纳米级)。主要原因是:(1)微观与宏观尺度下材料摩擦行为的差异很大,涉及同时发生的复杂的物理、化学、机械等相互作用,摩擦学机理、模型不通用;(2)宏观尺寸零部件表面的粗糙度也难以达到目前大多数超润滑现象所需的原子级平整度、光洁度等苛刻条件。因此,目前关于超润滑技术的研究大多基于二维材料,而且大多停留在严格控制条件下的实验室研究阶段。2012年,清华大学的研究人员在真空中发现了热解石墨片的自缩回现象,首次将超润滑从纳米尺度拓展到微米尺度,为近年来超润滑研究的一个重要节点。最近,兰州空间技术物理研究所在超润滑固体薄膜及其制备技术领域取得突破,所制备的新型a-C∶H基薄膜实现了宏观尺寸零部件的长寿命超润滑,并应用于BP-1B试验卫星(2019年7月25日发射),通过了国际上首次超润滑薄膜的空间飞行验证,具有里程碑式的重要意义。本文首先简述了超润滑材料的研究进展,随后梳理并详细介绍了八种具有代表性的超润滑现象及相关机理,具体为引入滚动摩擦、液体超润滑、结构超润滑、压力诱导能垒平坦化、弱层间作用力、接触界面同电荷互斥、控制正压力或接触点调制、量子隧穿效应,然后总结了超润滑技术的研究和应用现状,最后对超润滑技术后续的研究和应用的方向进行了展望。

关键词：超润滑结构超润滑液体超润滑超润滑机理

溅射沉积MoS_2薄膜中掺杂Ti对其结构与性能的影响研究

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润滑与密封 2006年第11期31卷 24-27页

作者：周晖温庆平桑瑞鹏万志华刘洪柱薛德胜兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室甘肃兰州730000 兰州物理研究所空间机械润滑中心甘肃兰州730000

采用非平衡磁控溅射沉积技术制备纯MoS2和不同Ti掺杂量的MoS2-Ti复合薄膜。用SEM和XRD对薄膜的形貌和结构进行分析,用纳米划痕仪测试薄膜与基底间的附着力,用球-盘摩擦试验机评价薄膜在大气和真空环境中的摩擦学性能。研究结果表明:在... 详细信息

采用非平衡磁控溅射沉积技术制备纯MoS2和不同Ti掺杂量的MoS2-Ti复合薄膜。用SEM和XRD对薄膜的形貌和结构进行分析,用纳米划痕仪测试薄膜与基底间的附着力,用球-盘摩擦试验机评价薄膜在大气和真空环境中的摩擦学性能。研究结果表明:在溅射沉积MoS2薄膜过程中掺杂金属Ti,有效地阻断了MoS2疏松、多孔柱状晶的优势生长,从而生成组织结构致密、无定形态的薄膜,提高了其与基底间的附着力。掺Ti复合薄膜在大气和真空环境中的摩擦学性能都得到显著改善,真空环境中10%Ti含量的薄膜耐磨寿命最长,是纯MoS2膜的37倍,大气环境中20%Ti含量的薄膜耐磨寿命最长,是纯MoS2膜的67倍。

关键词：非平衡磁控溅射 MoS2薄膜掺杂Ti 结构和性能

二硫化钼溅射膜在潮湿空气中贮存后润滑性能的退化与失效机理

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摩擦学学报 1994年第1期14卷 25-32页

作者：王均安于德洋欧阳锦林中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑开放研究实验室

为了探讨ＭｏＳ＿２溅射膜在潮湿空气中贮存期间所发生的化学变化这个长期争议未了的问题，以空间机械常用的９Ｃｒ１８轴承钢为底材，利用ｒｆ溅射法沉积ＭｏＳ＿２薄膜，并且利用Ｘ射线光电子能谱仪、俄歇电子能谱仪和Ｘ射线衍射仪等... 详细信息

为了探讨ＭｏＳ＿２溅射膜在潮湿空气中贮存期间所发生的化学变化这个长期争议未了的问题，以空间机械常用的９Ｃｒ１８轴承钢为底材，利用ｒｆ溅射法沉积ＭｏＳ＿２薄膜，并且利用Ｘ射线光电子能谱仪、俄歇电子能谱仪和Ｘ射线衍射仪等对这种薄膜在室温（１１－１５℃）下于相对湿度为１００％的潮湿空气中贮存不同时间后的组成、元素价态和晶体结构进行了分析，考察了它在潮湿贮存过程中所发生的化学变化及其润滑性能的退化与失效机理，检测发现，ＭｏＳ＿２溅射膜经潮湿贮存一天就有少量的Ｍｏ￣（４＋）氧化生成了Ｍｏ￣（６＋），在潮湿贮存５天时又发现有少量的ＳＯ生成，随着贮存时间的延长，不仅膜中Ｍｏ￣（６＋）／Ｍｏ￣（４＋）之比在不断地增大，表明有更多的Ｍｏ￣（４＋）发生了深度氧化，而且Ｓ￣（２－）发生氧化生成的ＳＯ之含量也越来越大。由此可见，ＭｏＳ＿２溅射膜在室温下于潮湿空气中贮存期间与氧和水发生了化学反应，生成物是ＭｏＯ＿３和Ｈ＿２ＳＯ＿４．Ｈ＿２ＳＯ＿４的生成致使薄膜表面的凝聚水呈现出ｐＨ值为１．５－２．０的强酸性，从而造成了金属底材的腐蚀。ＭｏＳ＿２的深度氧化和金属底材的腐蚀是导致ＭｏＳ＿２溅射膜在潮湿环境中润滑性能退化与失效的主要原因。

关键词： MoS2溅射膜潮湿贮存润滑轴承

钛合金表面MAO/粘接PTFE涂层的真空摩擦学性能

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摩擦学学报 2017年第3期37卷 318-324页

作者：胡汉军周晖曹珍冯兴国张凯锋郑玉刚霍丽霞兰州空间技术物理研究所真空技术与物理国防科技重点实验室甘肃兰州730000

采用真空球盘摩擦试验机,分别在低载、中载和重载工况下测试了一种MAO/粘接PTFE复合涂层的摩擦学性能.结果表明:微弧氧化层提升了基底抵抗变形的能力,确保了摩擦过程中粘接PTFE涂层与基底结合状态的稳定,并且在原位生长过程中继承了金... 详细信息

采用真空球盘摩擦试验机,分别在低载、中载和重载工况下测试了一种MAO/粘接PTFE复合涂层的摩擦学性能.结果表明:微弧氧化层提升了基底抵抗变形的能力,确保了摩擦过程中粘接PTFE涂层与基底结合状态的稳定,并且在原位生长过程中继承了金属表面原有的机械加工形貌,形成了特殊的"波峰"与"波谷"交替并存的"波状"多孔地形."波峰"与孔壁作为与摩擦对偶接触的硬质区域起承载和耐磨损作用,"波谷"和微孔作为与摩擦对偶接触的软质区域起贮存润滑剂与提供转移膜的作用.在两者的耐磨-减摩协同作用下,MAO/粘接PTFE复合涂层在不同接触应力条件下的摩擦学寿命较传统的喷砂/粘接PTFE的摩擦学寿命有了极大提升.

关键词：微弧氧化粘接PTFE 摩擦

低轨道原子氧对2种侧链结构多烷基环戊烷真空摩擦学性能的影响

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摩擦学学报 2012年第5期32卷 428-434页

作者：高平孙晓军彭立冯大鹏刘维民中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室甘肃兰州730000 中国石油兰州润滑油研究开发中心甘肃兰州730060

设计合成了2种侧链长度的多烷基环戊烷(MACs)润滑剂,利用多功能空间摩擦学试验系统考察了模拟低轨道原子氧辐照环境对其真空摩擦学性能的影响,同时采用黏度仪、凝胶色谱仪、精密分析天平、扫描电子显微镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱仪(FT... 详细信息

设计合成了2种侧链长度的多烷基环戊烷(MACs)润滑剂,利用多功能空间摩擦学试验系统考察了模拟低轨道原子氧辐照环境对其真空摩擦学性能的影响,同时采用黏度仪、凝胶色谱仪、精密分析天平、扫描电子显微镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)等表征了原子氧辐照前后2种MACs润滑剂的黏度、分子量、质量损失、化学结构和磨痕形貌.结果表明:所合成的2种侧链长度的MACs润滑剂在真空下对GCr15/GCr15球-盘摩擦副均具有良好润滑性能.原子氧辐照后,2种MACs润滑剂在真空中对上述摩擦副的摩擦系数均明显增大,摩擦副表面的磨损程度加剧.此外,原子氧辐照还导致润滑剂的黏度和数均分子量增大.红外分析结果显示:原子氧辐照过程中O原子插入了MACs的碳链之间破坏了MACs的化学健,同时与C原子结合生成了CO、C—O—C等新键,并导致润滑剂的酸值增大.原子氧辐照后,MACs中烃类的碳链长度仍大于4,因此仍然具有一定的润滑性能.质量损失结果比较发现具有较长支链的MACs润滑剂耐原子氧侵蚀性能较强,表明设计调控适当的支链长度是改善MACs耐原子氧性能的一条可能途径.

关键词：空间润滑低轨道原子氧多烷基环戊烷摩擦学性能

两种油溶性离子液体与进口添加剂的摩擦学性能对比

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表面技术 2023年第6期52卷 223-234页

作者：李飞舟杨朝钊郭便梁依经周康吕会英范丰奇黄卿于强亮蔡美荣周峰宝鸡文理学院机械工程学院陕西宝鸡721016 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室兰州730000 中国石油兰州润滑油研究开发中心兰州730060

目的对比研究合成的油溶性离子液体(IL)N/P、P/P与传统极压抗磨添加剂IR 349、IR 353和FM 3606对85W/90 GL-5齿轮油摩擦学性能的影响。方法以IL和传统极压抗磨剂为添加剂,加剂量为1%,在85W/90基础上制备5种润滑剂,空白样85W/90作为对照... 详细信息

目的对比研究合成的油溶性离子液体(IL)N/P、P/P与传统极压抗磨添加剂IR 349、IR 353和FM 3606对85W/90 GL-5齿轮油摩擦学性能的影响。方法以IL和传统极压抗磨剂为添加剂,加剂量为1%,在85W/90基础上制备5种润滑剂,空白样85W/90作为对照,通过同步热分析仪测试其热分解温度,采用点面往复摩擦形式在SRV-Ⅳ摩擦机上对其减摩抗磨性能进行研究,采用四球摩擦机测试其极压承载能力。通过环境扫描电子显微镜(ESEM)、三维轮廓扫描仪、X射线光电子能谱仪(XPS)对各润滑剂润滑后对应的磨斑进行微观形貌表征并对其元素组成进行分析。结果IL的加入在很大程度上提高了85W/90的热分解温度。在50℃条件下,含有IL添加剂的齿轮油表现出更为优异的减摩抗磨性能,在150℃条件下,含IL添加剂的齿轮油与含传统极压抗磨剂的齿轮油抗磨性能相当,而前者减摩性能更为优异。极压承载能力测试表明,所合成的IL在一定程度上改善了85W/90的油膜强度。根据XPS分析结果推测,IL添加剂在外界应力(热应力、机械应力)下分解后,与金属表面反应并生成具有良好润滑效果的边界薄膜。结论2种油溶性IL可明显改善齿轮油的摩擦学性能,可部分替代一系列进口添加剂,为后续进一步发展绿色、高性能润滑添加剂提供了一定思路,但IL的润滑机制仍值得深入探讨。

关键词：油溶性离子液体润滑添加剂 85W/90 GL-5齿轮油热稳定性减摩抗磨润滑机理

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油溶性有机减摩抗磨添加剂的研究进展

表面技术 2020年第9期49卷 1-18页

作者：于强亮蔡美荣周峰刘维民中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室兰州730000 中国石油兰州润滑油研究开发中心兰州730060

随着科学技术的不断进步,摩擦学研究发展迅速,一些新型的润滑领域相继出现,伴随而生一些新型润滑技术和材料,使得机械运行稳定性和寿命逐渐增加。机械运转关键润滑部件(如轴承、齿轮、涡轮等)的稳定性对设备的长效和可靠运行起到了决定... 详细信息

随着科学技术的不断进步,摩擦学研究发展迅速,一些新型的润滑领域相继出现,伴随而生一些新型润滑技术和材料,使得机械运行稳定性和寿命逐渐增加。机械运转关键润滑部件(如轴承、齿轮、涡轮等)的稳定性对设备的长效和可靠运行起到了决定性作用,其中,满足润滑部件长效运行的关键技术在于润滑油的品质和优良的润滑稳定性。全配方润滑油中基础油的质量是根本,润滑添加剂对润滑油综合性能具有重要影响,而减摩抗磨添加剂是润滑油中最重要的添加剂。综述了近10年润滑油常用的有机减摩抗磨添加剂的研究进展,根据减摩抗磨添加剂的类别,详细综述了磷系减摩抗磨添加剂、硫系减摩抗磨添加剂、硼系减摩抗磨添加剂、含氮杂环化合物及其衍生物减摩抗磨添加剂、离子液体减摩抗磨添加剂,并对其发展状况和减摩抗磨机理进行了探究。最后对上述几类减摩抗磨添加剂存在的问题进行了简要分析,并对其未来发展趋势进行了展望,对减摩抗磨添加剂的发展方向和面临的问题提出了几点建议和意见。

关键词：基础油润滑减摩抗磨添加剂摩擦学性能

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空间润滑谐波减速器失效机理研究

摩擦学学报 2013年第1期33卷 44-48页

作者：李俊阳王家序周广武郑军郝宏重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 兰州空间技术物理研究所甘肃兰州730000

为研究空间环境下谐波减速器失效机理,并为其可靠性寿命试验提供理论基础,对空间润滑谐波减速器进行5 000 h真空寿命试验.结果表明:DLC薄膜与润滑脂(Braycote601)复合润滑的柔轮-刚轮齿面运转良好,Braycote601油脂单独润滑的柔轮内壁-... 详细信息

为研究空间环境下谐波减速器失效机理,并为其可靠性寿命试验提供理论基础,对空间润滑谐波减速器进行5 000 h真空寿命试验.结果表明:DLC薄膜与润滑脂(Braycote601)复合润滑的柔轮-刚轮齿面运转良好,Braycote601油脂单独润滑的柔轮内壁-柔性轴承外圈出现严重磨损.对其进行混合润滑数值分析,结果显示在3～150 r/min的转速范围内,该接触区域始终处于混合润滑状态并由此导致磨损产生,微凸体直接接触所负担的载荷比例随转速的增加而减小,随温度与载荷的增加而增大;低速运转时,温度与载荷对微凸体接触程度的影响效果明显,但随着转速的增大,温度与载荷的影响快速减弱.

关键词：谐波减速器固体-油脂复合润滑失效机理混合润滑数值分析

一种油溶性季铵盐离子液体作为PAO基础油添加剂的摩擦学研究

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摩擦学学报 2021年第6期41卷 802-812页

作者：陈国庆谭雅文黄卿李飞舟周康张朝阳于强亮蔡美荣宝鸡文理学院机械工程学院陕西宝鸡721016 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室甘肃兰州730000 中国石油兰州润滑油研究开发中心甘肃兰州730060

合成了新型季铵盐磷酸酯油溶性离子液体(N_(88816)P_(4)),采用热重分析仪(TGA)分析其热稳定性.采用SRVV微动摩擦磨损试验机和Bruker-NPFLEX表面非接触光学三维轮廓仪考察该离子液体作为聚α-烯烃(PAO 10)基础油减摩抗磨添加剂及其与商... 详细信息

合成了新型季铵盐磷酸酯油溶性离子液体(N_(88816)P_(4)),采用热重分析仪(TGA)分析其热稳定性.采用SRVV微动摩擦磨损试验机和Bruker-NPFLEX表面非接触光学三维轮廓仪考察该离子液体作为聚α-烯烃(PAO 10)基础油减摩抗磨添加剂及其与商业添加剂二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)复配后的摩擦学性能.结果表明:N_(88816)P_(4)具有优异的油溶性能,与ZDDP具有良好的配伍性.在室温和高温(100℃)条件下,N_(88816)P_(4)均可显著改善PAO 10的减摩抗磨性能.相较于与ZDDP复配,N_(88816)P_(4)单独作为PAO 10添加剂表现出更优异的减摩抗磨性能.铜片腐蚀试验结果表明,N_(88816)P_(4)几乎没有腐蚀性,且与ZDDP复配后能够明显抑制ZDDP的腐蚀.利用扫描电子显微镜(SEM)对磨斑表面形貌进行进一步分析,同时结合能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面主要化学元素进行分析,证明N_(88816)P_(4)能够与金属基底发生复杂的摩擦化学反应,由于其在摩擦副表面形成了含N和P元素的化学反应膜,从而起到优异的减摩抗磨作用.

关键词：油溶性离子液体 ZDDP 添加剂摩擦学性能润滑机理