[发明专利]一种钛基材料表面耐高温多分子层边界润滑膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面摩擦磨损和固体润滑领域，特别是一种在钛及钛合金材料表面制备具有耐高温性能的多分子层边界润滑膜的方法。

背景技术

钛及钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，具有优异的物理化学性能如密度小、比强度高、耐腐蚀和耐热以及生物相容性好等综合性能广泛应用于航空航天、石油化工、冶金、电力和生物医用领域。但是其表面摩擦系数大、耐磨性差的特点限制了其在高速干燥或其他特殊恶劣气氛环境下优异性能的发挥。

近年来通过微弧氧化[1]（参见：Bemporad,E.,et al.,Modelling,production and characterisation of duplex coatings(HVOF and PVD)on Ti–6Al–4V substrate for specific mechanical applications.Surface and Coatings Technology,2007.201(18):p.7652-7662.）、表面渗镀[2]（参见：Fernandes,B.B.,et al.,Effects of high temperature plasma immersion ion implantation on wear resistance of Ti-Si-B sintered alloys.Surface and Coatings Technology,2013.228:p.195-200.）等表面改性或涂覆工艺[3]（参见：Wang,D.Y.,Chang,C L.,Chen,Z Y.,Ho,W Y,Microstructural and tribological characterization of MoS₂–Ti composite solid lubricating films.Surface and Coatings Technology,1999.120-121:p.629-635.），改善钛基材料表面耐磨性，而在钛基材料表面利用有机化合物改善其耐磨性的技术鲜有报道。此外，对于高分子有机固体润滑的研究也多为粘接方法制备的涂层，而采用将某种长链单分子层转移到钛金属摩擦面上形成多层组合膜的减摩固体润滑膜技术更是基本属于空白。

随着摩擦学研究的重点从传统的流体动力润滑系统转向摩擦材料及其表面工程，对固体润滑涂层的研究日益受到重视。摩擦表面实施固体润滑涂层处理可在无油干燥的工况下使用，明显降低摩擦系数，提高耐磨性能。既简化了润滑机构，延长使用寿命，同时又提高了设备的可靠性。而水凝胶由于其具有比硬质固体物质低得多的摩擦系数，成为新型人工软骨和组织替代物的理想材料。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种钛基材料表面耐高温多分子层边界润滑膜的制备方法，本发明根据仿生人体关节生物摩擦学原理，充分发挥水凝胶摩擦系数低及耐高温的优点，将水凝胶接枝于钛基材料表面，从而达到改善钛基材料表面耐磨性的目的。

本发明一种钛基材料表面耐高温多分子层边界润滑膜，由水凝胶接枝于钛基材料表面构成。

本发明一种钛基材料表面耐高温多分子层边界润滑膜的制备方法，其步骤如下：

步骤一、前期处理：将钛基材料前期打磨抛光至表面粗糙度Ra不大于1μm，并清洗、干燥；

步骤二、钛基材料表面羟基化；

步骤三、经过羟基化的钛基材料表面接枝氧化石墨烯纳米片；

步骤四、将表面接枝有氧化石墨烯纳米片的钛基材料置于氧化石墨烯纳米片水溶液中，加入合成水凝胶的原材料，通过自由基聚合反应制备出网格状的耐高温多分子层边界润滑膜即水凝胶，伴随着水凝胶的合成即完成在钛基材料表面接枝水凝胶工艺，随后取出干燥后即可得到钛基材料表面耐高温多分子层边界润滑膜。

进一步讲，步骤二中，钛基材料表面羟基化的工艺是碱处理、阳极氧化法和Piranha溶液处理工艺中的任一种，从而使钛基材料表面具有亲水性官能团-OH。

进一步讲，步骤三中，经过羟基化的钛基材料表面接枝氧化石墨烯纳米片的方法是：先在羟基化的钛基材料表面硅烷化，即将硅烷偶联剂上的-NH₂接枝于钛基材料表面，随后再取出浸泡于氧化石墨烯纳米片水溶液中，通过硅烷偶联剂上的-NH₂与氧化石墨烯纳米片上的-COOH发生脱水缩合反应，实现钛基材料与氧化石墨烯纳米片以C-N共价键结合。