[发明专利]含纳米二维黑磷的自润滑耐磨复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及含纳米二维黑磷的自润滑耐磨复合薄膜及其制备方法。所述制备方法包括：(1)制备纳米二维黑磷复合材料，①制备黑磷以及黑磷与石墨复合纳米粉，②制备黑磷复合材料溶液：a、制备黑磷聚四氟乙烯混合液：b、制备黑磷聚四氟乙烯微粉混合液：(2)制备纳米二维黑磷复合薄膜，①试样的光洁度处理，②利用匀胶机或静电喷涂方法制膜。所述制备方法成型工艺简便,制备成本低廉；制备的纳米二维黑磷自润滑耐磨复合薄膜具有优良的自润滑性能、耐磨性能、稳定性和抗高温氧化性能，可在高温、空气或真空、腐蚀、辐射、高载荷等特殊环境下应用。

技术领域

本发明属于固相自润滑耐磨复合材料技术领域，尤其涉及含纳米二维黑磷的自润滑耐磨复合薄膜及其制备方法。

背景技术

随着现代汽车工业和航空航天事业以及机械加工业的突飞猛进，自润滑耐磨复合涂层零部件的应用领域变得更加广泛。长期以来，改善材料的自润滑性和耐磨性能已成为人们关心和重视的课题。通常，提高材料的摩擦学性能主要有以下两种技术手段。第一，在聚合物基体中添加具有低剪切强度和自润滑性的润滑粒子，如添加二硫化钼、氮化硼、石墨、聚四氟乙烯等，以降低材料的摩擦系数。第二，在聚合物基体中添加硬质颗粒或纤维增强剂，以提高材料的耐磨性。在改善复合材料的润滑性和耐磨性的同时，提高表面涂层的强度和稳定性对零件的服役寿命(如是疲劳寿命、磨损寿命)有十分重要的意义。近年来，新型二维材料黑磷因其独特的物理化学性能受到国内外诸多学者的关注。二维黑磷与石墨相似有片层结构，不同的是同层磷原子不在同平面，而是波形层状结构，层内有较强的共价键，层之间的键合比层内的键合弱，层间靠范德华力作用联系。另外，黑磷还具有明显的纯天然的负泊松比现象，因制备含有黑磷的复合材料料的物理机械性能会有很大的提高,如提高其复合薄膜材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及回弹韧性。最值得关注的是，黑磷在物化过程中产生磷酸盐和磷的氧化物后仍持有稳定的润滑效果，并且在摩擦过程中形成磷的物化产物的均匀转移膜，提高了材料的负载力,从而改善了复合材料的摩擦磨损性能；该特性是其他润滑二维材料所不具有的，如MoS₂在潮湿大气或氧化环境中易于发生氧化而使其润滑性能退化,耐磨寿命大大降低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有材料存在的缺陷。本发明提供了一种摩擦系数低、磨损率小、热稳定性高、机械强度大、使用寿命长、制备成本低廉、耐磨和减摩性能优良的含纳米二维黑磷的自润滑耐磨复合薄膜及其制备方法。本发明首先制备黑磷以及黑磷与石墨复合材料粉体,之后将其与十六氟庚烷处理的聚四氟乙烯微粉或聚四氟乙烯浓缩水分散液均匀共混,经涂覆和固化、烧结工序,制得纳含纳米二维黑磷的自润滑耐磨复合薄膜。

本发明的制备方法如下：

(1)纳米二维黑磷复合材料的制备过程：

①黑磷以及黑磷与石墨复合纳米粉的制备：

采用星式球磨法制备黑磷以及黑磷和石墨复合纳米粉，按一定比例称取红磷(纯度＞98.5％)以及红磷:石墨(粒径＜30nm)质量比＝4:1～3:2的粉末放入球磨罐中，选用钢球材质为调质钢，钢球直径10mm和5mm数量比为3:7～5:8，钢球与粉的质量比20:1～40:1，球磨机转速为300～1200rpm，球磨时间10～24h。

②黑磷复合材料溶液的制备：

a、黑磷聚四氟乙烯水分散液混合液的制备：添加适量的去离子水将浓缩聚四氟乙烯水分散液稀释至40～60％，将制备好的黑磷纳米粉或黑磷与石墨复合纳米粉加聚四氟乙烯水分散液中，上述各原料用量有如下质量比例关系：黑磷或黑磷与石墨复合粉：聚四氟乙烯水分散液＝0.1～15:100，搅拌混合均匀。