1、一、固体润滑剂 固体润滑剂是指用以分隔摩擦副对偶表面的一层低剪切阻力的固体材料。 对于这类材料， 除 了要求具有低剪切阻力外， 与基底表面之间还应具备较强的键联力。 这也就是说， 载荷由基 底承受，而相对运动发生在固体润滑剂内。使用固体润滑剂的优点在于：润滑油脂的使用温度范围一般为-60 C+350 C ,超过这一温度范围， 润滑油脂将无能为力， 而固体润滑剂却能充分发挥其效能； 润滑油脂的承载能力也远 远不如固体润滑剂；在高真空、强辐射、活性或惰性气体环境中以及在水或海水等流体中， 润滑油脂容易失效， 也需借助于固体润滑剂； 固体润滑剂在贮存， 运输和使甩过程中， 对环 境和产品的污染也比润
2、滑油脂少得多； 固体润滑剂还特别适合于要求无毒、 无臭、不影响制 品色泽的食品和纺织等行业；固体润滑剂的时效变化小， 保管较为方便。然而，固体润滑剂 的缺点也很突出， 例如润滑膜一旦失效就难以再生； 一般地说， 其摩擦因数比润滑油脂的大； 摩擦界面上的热量不易被带走或逸散；容易产生碎屑、振动和噪声等。二、固体润滑机理固体润滑的主要目的是用镀、涂等方法将固体润滑剂粘着在摩擦表面上形成固体润滑膜，摩擦时在对偶材料表面形成转移膜， 使摩擦发生在润滑剂内部， 从而减少摩擦， 降低磨损。 润滑膜一方面可以防止对偶材料表面直接接触， 另一方面可以减小接触薄层的剪切强度， 从 而显著减小摩擦系数。固体润滑剂
3、具有润滑作用的薄膜主要包括物理吸附膜、化学吸附膜、 化学反应膜、 氧化膜、涂层润滑膜以及自润滑膜等。 某些固体润滑剂能够与摩擦表面形成牢固的物理吸附膜； 润滑剂的极性分子能够同摩擦表面经由化学吸附形成化学吸附膜；某些润滑剂分子可以同摩擦表面发生化学反应而形成化学反应膜； 摩擦表面或工件材料中的某些元素在高温作用 下产生氧化形成氧化物润滑膜； 利用涂层技术可以在摩擦表面形成润滑涂层； 通过对摩擦 表面材料进行合理组合的组分设计可以使摩擦表面材料形成自润滑作用的自润滑膜。 在摩擦力较小的情况下， 润滑膜较容易保持并起到减摩作用； 随着摩擦力增大， 润滑膜 不断磨损并脱落， 摩擦副处于边界润滑或混合
4、润滑状态； 当摩擦力进一步加大并导致边界 润滑膜发生破裂失效， 则摩擦副将处于无润滑的干切削状态。 在边界润滑条件下， 摩擦力 F 为：F=A QS式中： F 为法向负荷 ； A 为真实接触面积 ; QS 为压缩屈服极限 。在这种情况下， 摩擦表面将出现牢固的粘结点。 在切向力的作用下粘结点被减断， 表面 随即发生滑移。 摩擦的过程就是粘结与滑移交替进行的过程。 摩擦力主要表现为剪断金属 粘结点所需的剪切力。设粘结点部分的剪切强度为 n ，则摩擦力 f 为：f=A n=nF/QS摩擦系数 u 为：u=f/F=n/QS因此， 摩擦力的大小仅与法向负荷成正比， 而与实际接触面积无关。 摩擦系数取决
5、于材料的 机械物理性能：与剪切强度成正比，与压缩屈服极限成反比。三、固体润滑材料常用的固体润滑剂有： 层状固体材料 （如石墨、 二硫化钼、 氮化硼等）、无机化合物 （如 氟化锂、氟化钙、氧化铅、硫化铅等） 、软金属（如铅、铟、锡、金、银、镉等） 、高分子聚 合物（如尼龙、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等）和复合材料。层状固体材料 层状固体具有层片状结晶结构， 同一层内的原子间结合力较强， 而层与层之间原子间的结合 力较弱。 这种层片状晶体的叠合， 意味着垂直于层片方向可以承受很大的压力， 而沿层片方 向只要有一个较小的切向力作用， 就会很容易地使层片与层片相互错开， 故能承受较大压力 而摩擦因数较小
6、。 这种承压能力大而抗剪切力低的材料， 为摩擦副提供了良好的润滑。 这一 点与吸附膜相似。a）石墨 石墨为层片状碳，层与层之间的结合力较小。 在切向力作用下，层与层之间容易滑动。 在大 气条件下，石墨对石墨或石墨对钢的摩擦因数大约为0.10.15，具有明显的减摩效果；而在真空中，石墨间的摩擦因数则上升为 0.50.8。在摩擦过程中，经过除气处理的石墨一旦导 入空气、氧气、水蒸气或苯、乙醇、丙酮、庚烷蒸汽等，则摩擦因数将很快降低，而当导入 氮或二氧化碳等气体，却并先降低摩擦的效果。不论是天然石墨还是人造石墨，使用前均应粉碎。作为润滑剂，特别是粉剂，应以天然石墨为主。使用时，可直接将石墨粉 加在摩
7、擦副对偶表面之间， 也可以将石墨和材料制成复合材料使用； 也有把碳一石墨粉 压制成块，经切削（或不经切削）制成零件（已成功地应用于压缩机活塞环等零件上），这种材料具有很好的自润滑效果。 若把石墨粉加在油 （或脂）中作为润滑剂使用，则在重载作 用下油膜破裂时， 石墨仍能继续起润滑作用。 将石墨粉加在水中， 并添加合适的粘结剂制成 的润滑剂， 已成功地应用于热轧等工艺中。石墨的化学稳定性好， 抗辐射能力强，无毒， 价格低等，都是其优点， 但因石墨的热稳定性较差，所以限制了它以粉状或块状固体 膜的形式使用。石墨在325C时与氧接触会生成 CO2，因而一般最高使用温度不超过400 C。将石墨置于氟
8、气中，经加热可制备氟化石墨。氟化石墨呈白色（或接近白色），不像石墨的磨屑会污染摩擦副或产品。在27345 C的温度内，氟化石墨的摩擦因数比石墨小，其寿命则比石墨长。 它在真空和惰性气体中也具有润滑性， 从而改善了石墨在无水蒸气条件下的润 滑性。氟化石墨的缺点是价格较贵。b）二硫化钼二硫化钼粉剂是由天然辉钼精矿经化学提纯制成。 其分散性高、纯度高、吸附性强、色黑稍 带银灰色、有金属光泽、触之有滑腻感、不溶于水。它也是一种具有层状结构的材料。由于 结合强度低，很容易沿解理平面滑移，所以剪切阻力小，摩擦因数小。在大气中，MoS2 解理面与钢表面的摩擦因数只有0.1左右， 即使在线 在干燥氮气中的润滑性能很好， 但在干燥氧气和潮湿空气中则润滑性较差， 这些润滑特性均与石墨不同。 MoS2 在420430C内就会快速氧化，当温度超过800C时，MoS2可能分解，而金属钼的摩擦因 数相当大，因此润滑性能就大大下降。c）氮化硼氮化硼（BN ）也是一种具有层状结构的材料，它与传统的固体润滑剂相比，石墨的解理面 上全是碳原子， MoS2 的解理面上全是硫原子， 而氮化硼的解理面上既有氮原子又有硼原子。 当它在大气中常温条件下与金属表面接触而相对运动时，摩擦因数约为 0.20.4，比石墨大，但随着温度的升高而减小。 BN 的摩擦性能不受水蒸气影响，但在有气体（如庚烷）中，
10、摩 擦因数小于0.2。在大气条件下，BN在温度高达900 C时仍有较小的摩擦因数和良好的化学 稳定性。将 BN 加入润滑油中，可以作为高温润滑剂使用。氧化物、卤化物及化合物a）氧化物众所周知， 钢铁表面的氧化膜具有保护表面的作用。 当金属表面直接接触并发生粘着时， 摩 擦磨损就增加， 一旦表面存在 氧化物则摩擦磨损就可减小。 氧化铬 （Cr2O3 ）,氧化钛 （TiO2 ） 、 氧化锆（ZrO2）的熔点约在16003000C之间，均有可用作高温工况下的表面保护膜。氧化硼（B2O3 ）在400C以下的摩擦因数并不小，但当温度接近熔点时下降到0.1左右。氧化铅（PbO）在常温下的摩擦因数不小（
11、约为0.30.4），但在200650C温度范围内只有 0.10.15,确实也是一种很好的高温润滑材料。b）卤化物氟化物的质地较软， 抗剪强度较低，并且有化学惰性，可覆盖在金属表面上起润滑作用，是 良好的高温固体润滑剂。氟化钙 （B2O3）和氟化钡（BaF2 ）应用温度范围比PbO更宽。c）化合物硼酸盐也是高温固体润滑剂，在熔融状态下才显示出优良的润滑性能，当温度超过480C时，它具有流体动力效应，超过760 C时则起边界润滑剂作用。在高温下，硼酸与金属氧化物起反应而形成玻璃。硫化硼在高温中的低摩擦则归因于硼酸。此外，各种玻璃，如硼酸铅玻璃、硼硅酸铅玻璃、铝硅酸盐玻璃等，可以用于500800
12、C的温度范围，而硅玻璃甚至可用于超过1100C的高温。用玻璃润滑的缺点是难以从润滑表面将其清除。高分子自润滑材料高分子自润滑材料根据其温度特性分为热塑性和热固性两大类。与其他固体润滑剂相比较， 高分子材料作为润滑部件具有以下优点：a）质地较软，不损伤对偶材料，且能有效地吸收振动，无噪声；b）化学稳定性好，摩擦磨损对气氛的依赖性小，在水中或海中也能使用；c）低温性能好，即使在液氮、液氢的超低温条件下仍能发挥其润滑作用，在真空中同样可以应用；d）具有优良的抗油、耐腐蚀性；e）电绝缘性优良。其缺点为：机械强度低，承载能力差；不宜在高温下使用；有吸湿性，时效变化明显；轴承的间隙大，因而配合精度低。目前
13、常见的高分子固体自润滑材料主要有聚苯硫醚（PPS）、环氧树脂、聚酰亚胺（PI）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK）等。几种典型的高分子固体润滑材料：聚四氟乙烯聚四氟乙烯简称 PTFE，商品名为特氟隆。是由四氟乙烯聚合而成的高分子材料，是白色半 透明到不透明固体，氟含量为76%，俗称“塑料王” _PTFE分子中F原子对称，C-F键中两种元素以共价键结合，分子中没有游离的电子，使整 个分子呈中性，因此它具有优良的介电性能，而且其电绝缘性不受环境及频率的影响。因PTFE分子结构中没有氢键，结构对称，所以它的结晶度很高（一般结晶度为55%75% ,有 时高达94%）,使PTFE耐热性能极好，
14、其熔融温度为324 C,分解温度为415 C,最高使用温度为250C，脆化温度为-190C,热变形温度（0.46MPa条件下）为120C。PTFE的力 学性能良好，其拉伸强度为2128MPa，弯曲强度为 1114Mpa，伸长率为 250%300%在氟树脂的12个品种中，PTFE的产量最多，约占整个氟塑料的 75%80%，并且因为PTFE 具有较优异的摩擦磨损性能，摩擦系数低，高低温性能好，化学稳定性优越，并不受环境气 氛的影响，因此其应用范围非常广。最早是为国防和尖端技术需要而开发的，而后逐渐推广到民用，其用途涉及航空航天和民用的许多方面，目前在其应用领域已成为不可或缺的材料。由于其自润滑性，
15、适宜做压缩机和空气锤上的活塞环和各种密封环，密封间隙小，使用寿命长，可以实现气缸与活塞环之间的无油润滑。聚醚醚酮聚醚醚酮属于聚醚酮类塑料中的主要品种，在这个聚合物的重复单元中有两个醚键和酮基与苯环交互连构成线型大分子，故命名为聚醚醚酮，简称PEEK , PEEK是一种耐高温的结晶型热塑性工程塑料。PEEK是英国帝国化学公司（ICI公司）在1978年才投放市场。虽然各公司研究开发了许多聚醚酮品种，其中最主要的品种仍然是聚醚醚酮__4。聚醚醚酮树脂自从研制出来，一直被作为一种重要的战略性国防军工材料，对许多国家限制出口。PEEK具有良好机械性能、抗化学腐蚀性，良好的绝缘性和极强的抗高剂量级别伽马
16、射线的 性能，显著的热稳定性（260 C）和耐磨性；耐燃性较好，并且它的发烟雾量较少。它可 以在无润滑、低速高载下或在液体、固体粉尘污染等恶劣环境下使用。PEEK是一种半晶态热塑性聚合物，为了改善其机械性能，尤其是摩擦学性能，常在其中添加聚四氟乙烯（PTFE），聚丙烯晴（PAN ）和碳纤维（FC）等材料，也可以添加颗粒增强型材料，或进行 特种表面处理。PEEK是继PTFE后又一类倍受欢迎的耐磨减磨材料，与PTFE相比，其承载能力和耐磨性有了很大的提高，温度对其摩擦磨损性能和机械性能影响不大。这类自润滑复合材料可用于制作飞机上的耐热、耐有机溶剂的连接件，汽车轴承支架、活塞密封、发动机的传动装置，
17、精密电子设备的零部件。但由于PEEK本身的价格高且成型加工困。
