单根级分散碳纳米管增强铝基复合材料涂层的自润滑机理研究

摩擦系数高、耐磨性差且绝对强度低，是制约铝基材料应用的主要瓶颈问题。本项目使用激光熔覆单根级分散碳纳米管增强铝基材料，获得高度耐磨和优良自润滑的铝基复合材料涂层，探索该技术应用于制备发动机剧烈摩擦部件（如缸体、活塞）的可能性。采用非共价键改性方法进行碳纳米管表面功能化，克服机械研磨分散困难且易破坏碳纳米管结构的问题，实现碳纳米管水中单根级分散且保证其结构完整性，弄清分散剂与碳纳米管作用机理及分散剂结构对分散性的影响规律。在铝基材料表面旋涂单根级分散碳纳米管，与磁控溅射沉积镁形成复合预敷层，研究熔覆过程镁对铝液与碳纳米管间浸润性能的作用规律及其对涂层组织结构的影响机理，建立激光熔覆工艺参数与涂层组织及性能的对应关系，探明涂层的自润滑机理。通过本项目研究，获得单根级分散碳纳米管含量高于1wt.%的低摩耐磨碳纳米管增强铝基复合材料涂层，为拓展铝基材料在摩擦活动部件的工业应用提供理论基础与新方法。

铝基材料具有密度小、抗氧化、耐腐蚀以及加工性能好等优点，因而在军事、航空、航天和汽车制造等行业中获得了普遍的应用。但是耐磨性差是铝基材料的共性弱点，成为制约其作为摩擦副材料使用的瓶颈问题之一。本研究提出以高度分散的碳管对铝基材料进行表面涂层改性，在铝基材料表面制备具有高耐磨、自润滑性能优良的功能涂层，以增强其减摩抗磨性能，具有重要的学术研究价值和明确的工程应用背景。. 研究内容和取得的结果包括：1）系统研究了十二烷基硫酸钠等分散剂的分子结构（甲基取代基，电荷、酚羟基氢、烷基链长度等）和浓度等对碳纳米管分散性能的影响规律，为制备单根级分散碳纳米管悬浮液提供理论基础。有机染料分子的浓度对碳纳米管的分散起决定性的控制作用，使用有机分子分散碳纳米管存在一个临界浓度。在此基础上，通过非共价键改性方法制备了单根分散的碳纳米管水悬浮液。2） 系统研究了碳纳米管密度、温度、时间、甲酸等小分子添加剂对铝基表面碳纳米管/铬复合材料涂层质量影响规律，确定了裂纹密度低、碳纳米管均匀分散的复合涂层制备工艺；3）研究了不同温度、载荷、转速条件下，铝基表面碳纳米管复合涂层的摩擦学性能，探索了碳纳米管引入对涂层摩擦学性能影响机理。在典型实验中，表面改性后铝材显微硬度由61 HV1 N提高到950 HV1 N。干摩擦实验表明，在相同实验条件下（温度21oC，载荷0.5 N, 转速300 r.p.m.），改性后铝材的磨损率由20.2 ⅹ10-7mm3 N-1 mm-1下降为1.2ⅹ10-7mm3 N-1 mm-1。这是因为碳纳米管的引入降低了基体试样和对磨球直接接触的几率，同时由于碳纳米管的润滑作用，使得表面改性铝的耐磨性得以显著提高。. 发表SCI收录论文17篇，其中标注资助基金号11篇；发表或接受中文期刊论文8篇，其中标注资助基金号6篇；发表会议论文7篇，其中标注资助基金号7篇。14次以口头报告的形式在国际/国内学术会议上报告研究结果，其中国际学术大会邀请报告1次，分会邀请报告3次。申请国家发明专利2项。2次获学术大会优秀论文奖：2012年全国青年摩擦学学术会议暨第六届生物摩擦学与内植物工程学术研讨会，第九届全国表面工程大会暨第四届全国青年表面工程论坛（2012年）。2013年9月获第二十届钱令希力学奖一等奖（青年教师类）。2013年12月获辽宁省自然科学奖二等奖（第三获奖人）。