高東強， 曹王博

(陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著航空、航天、核電和能源動力等高技術產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，需要在高溫、高速、高載、高真空、強輻射、高氧化和強腐蝕等環(huán)境中工作的機械設備愈來愈多.長期處于苛刻工況下的這些機械零部件對材料提出了更高的要求，潤滑和耐磨問題已成為顯著影響機械系統(tǒng)可靠性和壽命乃至決定整個系統(tǒng)設計成敗的技術關鍵[1,2].以航空發(fā)動機為例，其發(fā)動機中的關鍵精密運動部件(如箔片、指間密封片等)在啟停階段會經(jīng)歷一個從低溫到高溫又回到低溫的變化，這就需要材料在寬溫域環(huán)境下具有很好的潤滑性與耐磨性.為了滿足高溫等極端工況下工作的機械設備、部件及材料的設計需求,迫切需要運用材料學及摩擦學原理構(gòu)筑新型高強度寬溫域的潤滑材料，以解決相關運動部件在寬溫域環(huán)境下的穩(wěn)定可靠潤滑和耐磨問題.

常見的一些潤滑劑主要分為流體潤滑與固體潤滑，如圖1所示.常規(guī)的流體(油脂)潤滑劑的使用溫度一般不能超過250 ℃，所以在更高環(huán)境下服役的運動部件只能采用固體潤滑方式[3].固體潤滑的實質(zhì)是通過物理或化學反應在磨損面上生成有效的固體潤滑薄膜或通過具有低剪切力的化學反應膜或物理吸附膜覆蓋在接觸表面上來降低摩擦系數(shù)[4].常見的固體潤滑材料有軟金屬、石墨、二硫化鉬以及聚合物等，但是其使用溫度也都在500 ℃以下，溫度過高會導致流失、氧化分解等[3].對于高溫等嚴苛的工況，潤滑劑的結(jié)構(gòu)和成分穩(wěn)定性是其必要特性.

圖1 不同潤滑劑的應用溫度范圍

由于潤滑劑對溫度都很“敏感”，所以在考慮固體潤滑劑在其使用溫度范圍內(nèi)具有潤滑作用之外，還要考慮到它的化學穩(wěn)定性、機械強度以及熱穩(wěn)定性.低溫潤滑涂層在高溫下的降解主要是由于氧化作用引起的，氧化過程中產(chǎn)生的產(chǎn)物不具有潤滑作用.而在氧化物作為潤滑相的情況下，氧化不再是一個問題，并且氧化物具有結(jié)構(gòu)、化學和熱力學的穩(wěn)定性，大多數(shù)氧化物由于層狀結(jié)構(gòu)和層與層之間的弱鍵而在高溫下具有優(yōu)異的摩擦學特性.研究發(fā)現(xiàn)三元氧化物MexTMyOz在350 ℃～700 ℃具有較低的摩擦系數(shù)值(0.1～0.3)，其中Me是貴金屬，TM是過渡金屬[5].同樣用晶體化學模型預測高溫下三元氧化物的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)二元氧化物之間的離子勢差越高，復合三元氧化物的潤滑性能越好，形成的化合物更穩(wěn)定[6].因此，利用三元金屬氧化物的高溫潤滑特性，通過金屬氧化物的選擇性復配，可望避免傳統(tǒng)軟質(zhì)潤滑相在制備和使役過程中的高溫氧化、分解、偏析以及由此所導致的材料高溫穩(wěn)定性及綜合力學和耐磨損性能顯著惡化，成為極端溫度等嚴苛條件下固體潤滑體系的最佳選擇.

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，目前寬溫域自潤滑材料主要分為整體復合材料和涂層材料兩大類.整體復合材料是將具有自潤滑特性的整體材料直接加工成運動部件，起到減摩抗磨的作用[7-9].而涂層材料是利用各種表面改性技術在運動部件表面制備一層具有潤滑功能的涂層，從而達到潤滑的目的[10-13].目前國內(nèi)外相關研究大都集中在如何實現(xiàn)寬溫域連續(xù)潤滑方面，材料的設計基本采用兩種思路，一種是在復合材料和涂層基體中組合添加多種不同溫域潤滑劑，以期實現(xiàn)不同溫域內(nèi)潤滑和耐磨[14,15].另一種是采用硬質(zhì)相基體(Mo2N、MoCN、TiAlCN等)復配低溫潤滑劑，利用高溫摩擦化學反應生成高溫潤滑相，設計“自適應”潤滑薄膜[16,17].

本文綜述了三元氧化物潤滑材料用作高溫固體潤滑劑的研究，重點討論了三元氧化物在寬溫域環(huán)境下降低摩擦磨損的主要機制以及其結(jié)構(gòu)與性能之間的相關性，最后簡單介紹了三元氧化物作為自適應潤滑材料在具體實際工業(yè)中的一些應用.

1 三元氧化物

Magnéli[18]在1954年首次發(fā)現(xiàn)了過渡金屬的亞化學計量化合物形成了MenO2n-1、MenO3n-1或MenO3n-1的一系列同源化合物，這些化合物所形成的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)晶面導致結(jié)合強度降低.自20世紀80年代以來，研究人員一直在研究Magnéli相在高溫自潤滑中的作用，由于晶體中氧空位的存在導致結(jié)構(gòu)中易剪切面的存在，使得Magnéli相成為固體潤滑的良好候選物[19].

近年來，人們逐漸開發(fā)出了自適應性氧化物高溫固體潤滑涂層，軟金屬和二硫化鉬等主要在低溫下起潤滑作用，而在高溫下通過原位摩擦氧化形成三元氧化物起潤滑作用[13,20]，發(fā)現(xiàn)三元氧化物是替代Magnéli相最有前途的耐高溫材料.三元氧化物是可以通過Magnéli相與某些金屬單質(zhì)或二元氧化物在特定條件下生成，部分三元氧化物在某些條件下也會分解為Magnéli相與其他二元氧化物.以Ag2MoO4為例，其結(jié)構(gòu)可認為是被銀層隔開的Ag2O和MoO3混合層組成的層狀結(jié)構(gòu)，在高溫下分解為Ag2O和MoO3共同起到潤滑作用.

目前，三元潤滑氧化物的選擇主要有兩種理論.一種是,Dimitrov等[21]提出了用相互作用參數(shù)表示陰、陽極化率的極化率方法，研究表明氧化物中較小的相互作用參數(shù)對應較低的摩擦系數(shù);另一種是,Erdemir等[6,22]將兩種二元氧化物體系的離子電位差與三元氧化物的摩擦系數(shù)值聯(lián)系起來，表明二元氧化物之間的離子電位差較大的情況下，陰離子能夠更好地屏蔽陽離子，使其不太可能與相鄰的陽離子相互作用，導致摩擦系數(shù)降低，同時形成的化合物也更穩(wěn)定，如圖2所示.

圖2 離子電位與各種氧化物的平均摩擦系數(shù)之間的關系[22]

1.1 銀基三元氧化物

銀是一種軟金屬，在溫度超過300 ℃時具有潤滑性，Ag-O鍵相對較弱，在三元氧化物結(jié)構(gòu)中銀能夠增強晶面剪切，降低原來二元金屬氧化物的熔點，將銀添加到二元氧化物中形成三元氧化物已成為研究自適應涂層的一個熱點.銀與過渡金屬元素(TM=Mo、V、Nb、Ta)構(gòu)成的三元金屬氧化物(AgTMxOy)是最近幾年受廣泛關注的高溫固體潤滑劑[23-25]，相比于PbO、Magnéli相和氟化物CaF2、BaF2等固體潤滑劑(其有效潤滑溫度上限不會超過800 ℃)，可在600 ℃～1 000 ℃范圍內(nèi)起到優(yōu)異的潤滑效果.

(a)Ag2MoO4 (b)Ag2Mo2O7圖3 Ag2MoO4和Ag2Mo2O7的結(jié)構(gòu)示意圖(藍色、綠色和紅色分別表示Ag、Mo和O)[13]

Chen等[30]通過等離子噴涂制備了NiCrAlY-Ag-Mo自適應涂層，在800 ℃時形成Ag2Mo4O13、Ag2Mo2O7和Ag2MoO4相，摩擦系數(shù)達到最低值0.28，同時發(fā)現(xiàn)Ag2MoO4的結(jié)構(gòu)可認為是被銀層隔開的Ag2O和MoO3混合層組成的層狀結(jié)構(gòu).Wang等[31]也表明在800 ℃時摩擦系數(shù)達到最低值0.229，發(fā)現(xiàn)AgMoxOy是在溫度高達600 ℃時形成的，值得注意的是即使鉬酸銀在400 ℃時形成但也不能起到有效潤滑作用，因為鉬酸銀的熔化溫度為528 ℃，當溫度高于這個溫度它才能起到有效潤滑作用.

總而言之，在大數(shù)據(jù)的背景下，社會上各行各業(yè)都收到了不同程度的沖擊。對于教學領域來說，也應該積極地進行創(chuàng)新。從高職院校中的數(shù)學教學情況來看，為了提高數(shù)學教學效果，順應時代的發(fā)展，高職院校也應該積極地進行改革，采用各種有效的教學方式來提高學生對數(shù)學的興趣，提高他們的數(shù)學實踐能力。另外，作為教學主導者的教師，也應該積極地樹立大數(shù)據(jù)思維，創(chuàng)造更好的教學環(huán)境。

Gulbinski等[32]首次發(fā)現(xiàn)了另一種釩酸銀三元氧化物，釩酸銀的某些相具有類似于鉬酸銀的層狀結(jié)構(gòu)和良好的熱穩(wěn)定性，并且發(fā)現(xiàn)Ag2MoO4和β-Ag0.33V2O5的摩擦效果最好，氧化物在溫度高于200 ℃時發(fā)生軟化導致摩擦系數(shù)略有降低，在600 ℃時摩擦系數(shù)達到最小值0.2，當溫度高于660 ℃時氧化物熔化導致摩擦系數(shù)增加.Stone等[12]采用非平衡磁控濺射法制備了VN/Ag自適應涂層，探究了不同銀含量對摩擦性能的影響，值得注意的是所有涂層的摩擦系數(shù)隨溫度的變化趨勢一致，VN/Ag涂層在25 ℃～1 000 ℃范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)始終比VN涂層低很多，在700 ℃時摩擦系數(shù)達到最低值，VN/Ag涂層為0.1，在高溫時該涂層是釩氧化物和兩種釩酸銀相的混合物，即AgVO3和Ag3VO4，且銀含量為42%的薄膜在整個溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出最佳的摩擦性能，但含銀量為28%的VN/Ag涂層在溫度達到1 000 ℃時因薄膜的分層導致摩擦系數(shù)急劇增加到0.9.同時發(fā)現(xiàn)Ag3VO4相是亞穩(wěn)態(tài)，在加熱到450 ℃時，Ag3VO4分離成銀和液體，這種相的分離伴隨著其中一種相的熔化也可能是在高溫下減少摩擦系數(shù)的方法.

七年后，Guo等[33]采用PLD制備了不同Ag含量VN/Ag涂層，發(fā)現(xiàn)隨著Ag含量增加薄膜晶粒尺寸變大，表面形貌逐漸惡化，只有適當?shù)你y含量才能改善薄膜的潤滑性能，當銀含量為16.6%時薄膜的摩擦系數(shù)在室溫的0.3降低到900 ℃時的0.08，這是由于V2O5和AgVO3、Ag3VO4等釩酸銀的形成，恰好也證實了Aouadi等[10]報告的結(jié)果.Xin等[34]的研究也表明在800 ℃時，由于Ag3VO4和AgVO3的形成，摩擦系數(shù)低達0.147，由于AgVO3在800 ℃時比Ag3VO4更穩(wěn)定，相對不穩(wěn)定的Ag3VO4在干滑過程中會發(fā)生進一步的摩擦學化學反應，轉(zhuǎn)化為AgVO3，也證明了Ag3VO4是在加熱過程中形成的，AgVO3在磨損軌跡內(nèi)是由摩擦化學反應形成的.

Aouadi等[13]采用非平衡磁控濺射技術制備了納米銀夾雜的氮化鈮納米復合薄膜，在高溫下形成了三元氧化物AgNbO3，這種氧化物的熔化溫度為1 124 ℃，遠遠超過了鉬酸銀和釩酸銀.此外，鈮酸銀在579 ℃以上具有穩(wěn)定的鈣鈦礦立方晶體結(jié)構(gòu).在溫度高于700 ℃時，涂層的摩擦系數(shù)在0.15～0.30范圍內(nèi).隨后研究引入低溫潤滑劑MoS2，但是并沒有明顯降低室溫摩擦系數(shù).Wu等[35]采用反應磁控濺射法制備不同含銀量的NbCN-Ag薄膜，低溫時，隨著Ag含量從2.0%增加到12.9%，摩擦系數(shù)迅速下降，達到最小值0.28，但磨損率卻急劇增加，這表明硬度和彈性模量也急劇減小.當溫度從300 ℃升高到500 ℃時，NbCN-12.9%Ag薄膜的摩擦系數(shù)顯著降低，磨損率呈相反趨勢，這是由于在高溫下磨損軌道表面形成的Nb2O5、AgNbO3和Ag2O氧化物.

三元氧化物AgTaO3具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，這種層狀結(jié)構(gòu)有望提供有效的自潤滑，引起了不同領域研究者的廣泛關注.Cheng等[14]為了研究鉭酸銀的高溫摩擦學性能，以粉末和薄膜的形式制備了鉭酸銀.粉末和薄膜的摩擦系數(shù)都隨溫度的升高而減小，AgTaO3粉末的摩擦系數(shù)在整個測試范圍內(nèi)優(yōu)于Ag2Ta4O11粉末，在750 ℃時AgTaO3粉末的摩擦系數(shù)達到最低值0.18.研究表明銀含量為20%的涂層在所有測試樣品中表現(xiàn)出最低的摩擦系數(shù)，因為鉭酸銀和金屬銀相的形成在高溫下提供潤滑，同時發(fā)現(xiàn)涂層中存在分離的Ag納米粒子可能有助于提高涂層的韌性.

Gao等[36]也研究表明高溫下的低摩擦是由具有剪切潤滑的Ag團族和溫度引起的表面層中堅硬的Ta2O5共同作用的結(jié)果，在750 ℃時摩擦系數(shù)極低且為0.06.也有學者認為減摩是由于在界面滑動過程中形成一種具有潤滑的AgTaO3相分解為Ta2O5和Ag相在涂層表面形成摩擦膜.同時發(fā)現(xiàn)AgTaO3是由氧八面體在其晶體結(jié)構(gòu)中形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這可能有助于涂層的整體結(jié)構(gòu)剛性.

利用軟金屬復配設計寬溫域自潤滑薄膜材料不可避免地會導致力學性能下降以及軟金屬流失等問題.

1.2 非銀基三元氧化物

添加潤滑劑Ag雖能通過高溫摩擦化學反應生成AgTMxOy以解決高溫潤滑難題，但是高熱膨脹系數(shù)的金屬Ag在高溫環(huán)境下極易發(fā)生擴散及遷移并產(chǎn)生析出或團聚，導致材料偏離本征組織結(jié)構(gòu)，引起材料在經(jīng)歷高溫后的失效損傷進而嚴重影響涂層的穩(wěn)定性及高溫性能，造成材料磨損率相對較高[7,37].研究發(fā)現(xiàn)，通過高溫摩擦化學反應生成的非銀基三元金屬氧化物，如鉬酸鹽(CuMoO4、ZnMoO4)、鎢酸鹽(PbWO4、ZnWO4)、鈦酸鹽(ZnTiO3、Bi4Ti3O12)等[22,38]，也展現(xiàn)出良好的高溫潤滑及抗磨性能.而MoO3、WO3、TiO2、ZnO、等金屬氧化物體系通常具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和化學/熱力學穩(wěn)定性，且強度和耐腐蝕性能也遠優(yōu)于軟金屬Ag，同時一些金屬氧化物在其0.4～0.7 Tm絕對熔點時即可發(fā)生塑性變形生成易于剪切的表面，具有良好的潤滑性能.

Walck等[40]制備了ZnO-WS2薄膜，發(fā)現(xiàn)WS2是在450 ℃以下起潤滑作用，ZnWO4在溫度高于600 ℃以上具有潤滑作用，并且在不同的溫度下進行退火處理，在400 ℃以下并沒有發(fā)現(xiàn)新相形成，在500 ℃時可見微弱的MoO3，在600 ℃以上，WO3和ZnWO4大量形成.進一步研究發(fā)現(xiàn)ZnWO4的成核過程是通過WO3形成的中間階段進行的，同時研究表明沉積膜不但具有優(yōu)異的潤滑性能，而且使用壽命長，并且通過簡單的熱處理可以制備出高溫潤滑相.Prasad等[41]研究了ZnO添加到WS2沉積成復合涂層在300 ℃時比純WS2涂層具有更優(yōu)異的潤滑性能，且摩擦系數(shù)穩(wěn)定保持在0.02，可能是納米氧化鋅提供了一種具有中等低摩擦的潤滑，在500 ℃的測試下，純WS2在3千次循環(huán)下薄膜失效，但復合薄膜由于ZnWO4的形成導致摩擦系數(shù)在1萬次循環(huán)內(nèi)摩擦系數(shù)保持在0.22，也證實了WS2-ZnO復合涂層中自適應潤滑的概念.隨后Sheng等[42]用粉末冶金法制備了Ni3Al-Ag-BaF2/CaF2-W復合薄膜，由于高溫摩擦化學反應在磨損表面形成具有潤滑性的BaWO4和CaWO4，Ag、BaF2/CaF2、BaWO4和CaWO4在較寬的溫度范圍內(nèi)具有潤滑協(xié)同作用，所以三元氧化物在寬溫域范圍內(nèi)具有優(yōu)異的潤滑性能.

早在1998年，John等[43,44]通過沉積CaSO4薄膜，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽在500 ℃下具有很好的潤滑特性.他又進一步研究了CaSO4、BaSO4和SrSO4薄膜在高溫下的潤滑性能，發(fā)現(xiàn)三種硫酸鹽在600 ℃時都表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)(μ≈0.15)，由于空氣中存在二氧化碳，導致CaCO3、SrCO3和BaCO3的形成，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽的方解石是層狀的，有學者認為與MoS2有同樣的作用機制，可能在高溫下具有潤滑作用，并且比硫酸鹽更容易剪切，但是到目前為止還未得到證實.Murakami等[45]也研究了BaSO4、SrSO4、PbSO4和BaCrO4的高溫摩擦學性能，這些硫酸鹽具有重晶石型結(jié)構(gòu)，在室溫至1 073 K之間表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)，還研究了Ag和SiO2添加到復合涂層中對相對密度和硬度的影響.也有學者研究了其他一些非銀系氧化物，包括鉬酸銫、鉬酸鋇、硅酸銫、釩酸銅和鉬酸銅.然而，大多數(shù)的研究僅限于室溫到高溫的升溫過程的材料摩擦學研究，對高低溫循環(huán)工況的研究鮮有文獻報道.

ZnO在中低溫下具有潤滑作用，而將氧化鋅與二氧化鈦相結(jié)合成三元氧化物體系，即鈦酸鋅體系(ZnxTiyOz)時，可能存在一些協(xié)同效應，鈦酸鋅主要有三種氧化物，即六方鈦鐵礦晶體結(jié)構(gòu)ZnTiO3、立方反尖晶石結(jié)構(gòu)Zn2TiO4和立方缺陷尖晶石結(jié)構(gòu)Zn2Ti3O8.

Ageh等[46-47]通過原子沉積技術得到了具有缺陷結(jié)構(gòu)的織構(gòu)化ZnTiO3涂層，該缺陷結(jié)構(gòu)決定了涂層的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)原子沉積的ZnTiO3涂層在550 ℃退火后摩擦系數(shù)在200 m滑動距離內(nèi)較低(μ≈0.12)，并且磨損率也較低(w≈1×10-7mm3/N·m).研究表明部分位錯是沿ZnTiO3(104)層錯的膜內(nèi)剪切(滑移)，位錯滑移可能是改善摩擦學性能的重要原因，同時發(fā)現(xiàn)單個納米柱狀ZnTiO3顆粒在磨損過程中是塑性剪切而不是斷裂的.其又進一步研究了摩擦行為與晶體結(jié)構(gòu)有關的變形機制，如圖4所示，沿平行于滑動方向(S.D.)即垂直于生長方向(G.D.)的ZnTiO3(104)平面上的層錯發(fā)生剪切，從而形成膜內(nèi)剪切速度調(diào)節(jié)模式.由于ZnTiO3涂層中主要存在(104)滑移，即沒有導致局部硬化和抗剪切的相互作用滑移系統(tǒng)，這進一步降低了摩擦和磨損，也證實了通過納米結(jié)構(gòu)控制涂層生長織構(gòu)和缺陷制備高溫潤滑氧化物是一種有效的方法.

(a)磨痕截面透射圖 (b)ZnTiO3納米柱狀晶粒的截面透射圖 (c)ZnTiO3沿(104)晶面滑動的速度自適應模型圖4 ZnTiO3的潤滑機理示意圖[47]

在以上有些氧化物中如鉬酸銀實現(xiàn)潤滑的溫度范圍比較窄，釩酸銀實現(xiàn)潤滑的溫度范圍相對較廣但是磨損率較高，并且機械壽命都比較短，涂層氧化后導致力學性能下降.為了避免上述出現(xiàn)的缺點，He等[48,49]在GH4169合金上制備了Cr2O3薄膜，研究發(fā)現(xiàn)Cr2O3薄膜在摩擦滑動距離210 m左右摩擦系數(shù)增大同時薄膜失效，但通過高溫退火后薄膜的力學性能大幅度提高.對1 000 ℃熱處理后的薄膜結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：高溫熱處理過程中薄膜由非晶態(tài)向晶體轉(zhuǎn)變，高能態(tài)晶界會強烈熱激活，薄膜底部的Ti、Cr元素沿著薄膜的晶界擴散至表面并與環(huán)境中的氧氣發(fā)生反應，如圖5所示，生成雙金屬氧化物Cr2Ti7O17.Cr2Ti7O17中氧空位會導致易剪切面的存在，可以在摩擦過程中顯著降低摩擦系數(shù).當雙金屬氧化物潤滑相磨損后，金屬元素在高溫環(huán)境下會繼續(xù)擴散至磨損處，并氧化生成雙金屬氧化物潤滑相(如圖5所示).潤滑相表現(xiàn)出的自修復能力能夠保證薄膜在寬溫域環(huán)境下的長壽命潤滑.

此外，金屬元素在氧化物陶瓷薄膜中的擴散行為顯著地提高了薄膜的力學性能：硬度由30.9 GPa提高至39.2 GPa，韌性由6.2 MPa·m1/2提高至10.16 MPa·m1/2，結(jié)合力由21.5 N提高至47.8 N[50].最近，Wang等[51]研究了TiO2-Bi2O3薄膜的力學性能和摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)復合涂層具有典型的雙峰結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)有利于提高涂層的摩擦學性能及涂層的結(jié)合強度、韌性和耐磨性等，也表明雙峰組織具有“性能互補”特性，部分熔化區(qū)提高了涂層的韌性，有效防止了涂層在磨損時的脆性斷裂和剝落，同時提高了磨損壽命.由于TiO2、NiO、NiTiO3和Bi4Ti3O12等氧化物在800 ℃時形成了一層連續(xù)的潤滑層導致摩擦系數(shù)降低至0.07.以上研究及報道多是直接加入二元氧化物，在高溫時生成三元氧化物，二元與三元氧化物共同起到提高潤滑性的作用.但是，目前國內(nèi)外關于利用元素熱擴散效應設計寬溫域自潤滑薄膜材料鮮有文獻報道，元素的擴散機理尚不明確，同時對于擴散的控制和擴散、氧化對薄膜力學及摩擦學行為的影響機制尚需深入研究.

圖5 三元金屬氧化物潤滑相的形成過程及自修復能力[50]

2 三元氧化物涂層的應用

近年來，許多潛在的固體潤滑劑已被確定，如二硫化鉬和石墨最常用于中低溫度潤滑，但實現(xiàn)寬溫域的潤滑的材料非常有限.航空發(fā)動機、高速機床、軸承和導彈部件在極端惡劣的環(huán)境下實現(xiàn)良好的潤滑是極其困難的，航空發(fā)動機排氣溫度達到了1 100 ℃甚至更高，并且其他部件工作溫度也達到了800 ℃左右，發(fā)動機在啟動與停車階段，實質(zhì)是經(jīng)歷室溫到高溫的寬溫域循環(huán)，而采用自潤滑復合材料可顯著提高這些運動部件的可靠性和耐久性，因為它們具有高耐磨性和高溫長壽命.

最早的寬溫潤滑材料之一是20世紀70年代由美國宇航局開發(fā)的等離子噴涂(PS)系列固體潤滑，PS高溫固體潤滑涂層的主要設計思想是用固體潤滑劑的組合來實現(xiàn)寬溫域的潤滑.最初研究的PS100涂層由于在軸承上長時間工作，會暴露出硬度低、磨損率高和700 ℃以上容易氧化,為了彌補這一缺點，開發(fā)了PS200涂層，同時解決了過程控制閥桿、箔片空氣軸承和旋轉(zhuǎn)面閥等潤滑問題，也成功用于氣體軸承軸頸和發(fā)動機的氣缸壁潤滑，但發(fā)現(xiàn)因碳化鉻的氧化導致涂層的尺寸膨脹.又相繼開發(fā)了PS300涂層，將PS200涂層中的碳化鉻用氧化鉻代替，在PS300涂層中性能最好的PS304涂層成功地用于箔式氣體軸承，其壽命遠遠超過10萬次啟動和停止循環(huán)[52]，但還是發(fā)現(xiàn)PS300涂層的硬度不夠硬，但具有理想的耐磨性和摩擦系數(shù).最近，又開發(fā)了一種含有以鎳鉬鋁為基體和氧化鉻硬化劑以及銀和氟化物作為低高溫潤滑劑的PS400涂層，發(fā)現(xiàn)具有較好的尺寸穩(wěn)定性、表面光潔度和高度致密的微觀結(jié)構(gòu)，并且在20 ℃～600 ℃范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)約為0.30，在800 ℃時與形成的Ag2MoO4潤滑相協(xié)同作用導致摩擦系數(shù)達到最低值0.09[53].隨后又選用耐高溫氧化的NiCrAlY合金代替NiCr合金來提高PS涂層的使用溫度，研究表明等離子噴涂的NiCrAlY-Cr2O3-Ag-CaF2/BaF2涂層在室溫到1 000 ℃摩擦系數(shù)保持在0.4以下，磨損率也在10-5mm3/N·m左右.

高溫是機床的重要失效因素之一.在高速切削的過程中，刀具克服了工件的嚴重變形和切削刃的高接觸應力，所以在接觸區(qū)域的表面溫度可以達到1 000 ℃甚至以上.為了減少在加工時產(chǎn)生的摩擦熱，就需要刀具涂層的切削區(qū)域具有固體潤滑特性，提高刀具的抗磨損能力，延長刀具的壽命.目前，基于上述高溫摩擦化學反應，氮化物涂層已經(jīng)成為固體潤滑刀具材料的研究熱點.

3 展望

在以上的固體潤滑劑中，都是通過高低溫潤滑劑的復配實現(xiàn)寬溫域的潤滑.目前，應探索單一潤滑材料在室溫至高溫下實現(xiàn)連續(xù)潤滑.對于大多數(shù)潤滑劑涂層，都存在壽命有限、難以補充、氧化和老化等問題，尋找克服這些缺點的材料成為當前的首要任務，并且需要進一步探索自適應涂層的結(jié)構(gòu)及其力學和摩擦學性能的相關性，開發(fā)在寬溫域內(nèi)具有優(yōu)異的力學性能和摩擦性能的智能潤滑材料，從而實現(xiàn)在室溫至超高溫寬溫域下的有效潤滑作用.