[發明專利]一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤滑膜及制備方法

有效

• 申請號: 201310478530.2
• 申請日: 2013-10-14
• 公開（公告）號: CN103526203A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 魏強;吝德智;張善勇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明涉及材料表面摩擦磨損和固體潤滑領域，特別是一種在鈦及鈦合金材料表面制備具有耐高溫性能的多分子層邊界潤滑膜的方法。

背景技術

鈦及鈦合金是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，具有優異的物理化學性能如密度小、比強度高、耐腐蝕和耐熱以及生物相容性好等綜合性能廣泛應用于航空航天、石油化工、冶金、電力和生物醫用領域。但是其表面摩擦系數大、耐磨性差的特點限制了其在高速干燥或其他特殊惡劣氣氛環境下優異性能的發揮。

近年來通過微弧氧化[1]（參見：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.）、表面滲鍍[2]（參見：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藝[3]（參見：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.），改善鈦基材料表面耐磨性，而在鈦基材料表面利用有機化合物改善其耐磨性的技術鮮有報道。此外，對于高分子有機固體潤滑的研究也多為粘接方法制備的涂層，而采用將某種長鏈單分子層轉移到鈦金屬摩擦面上形成多層組合膜的減摩固體潤滑膜技術更是基本屬于空白。

隨著摩擦學研究的重點從傳統的流體動力潤滑系統轉向摩擦材料及其表面工程，對固體潤滑涂層的研究日益受到重視。摩擦表面實施固體潤滑涂層處理可在無油干燥的工況下使用，明顯降低摩擦系數，提高耐磨性能。既簡化了潤滑機構，延長使用壽命，同時又提高了設備的可靠性。而水凝膠由于其具有比硬質固體物質低得多的摩擦系數，成為新型人工軟骨和組織替代物的理想材料。

發明內容

針對上述現有技術中所存在的問題，本發明提供一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤滑膜的制備方法，本發明根據仿生人體關節生物摩擦學原理，充分發揮水凝膠摩擦系數低及耐高溫的優點，將水凝膠接枝于鈦基材料表面，從而達到改善鈦基材料表面耐磨性的目的。

本發明一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤滑膜，由水凝膠接枝于鈦基材料表面構成。

本發明一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤滑膜的制備方法，其步驟如下：

步驟一、前期處理：將鈦基材料前期打磨拋光至表面粗糙度Ra不大于1μm，并清洗、干燥；

步驟二、鈦基材料表面羥基化；

步驟三、經過羥基化的鈦基材料表面接枝氧化石墨烯納米片；

步驟四、將表面接枝有氧化石墨烯納米片的鈦基材料置于氧化石墨烯納米片水溶液中，加入合成水凝膠的原材料，通過自由基聚合反應制備出網格狀的耐高溫多分子層邊界潤滑膜即水凝膠，伴隨著水凝膠的合成即完成在鈦基材料表面接枝水凝膠工藝，隨后取出干燥后即可得到鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤滑膜。

進一步講，步驟二中，鈦基材料表面羥基化的工藝是堿處理、陽極氧化法和Piranha溶液處理工藝中的任一種，從而使鈦基材料表面具有親水性官能團-OH。

進一步講，步驟三中，經過羥基化的鈦基材料表面接枝氧化石墨烯納米片的方法是：先在羥基化的鈦基材料表面硅烷化，即將硅烷偶聯劑上的-NH₂接枝于鈦基材料表面，隨后再取出浸泡于氧化石墨烯納米片水溶液中，通過硅烷偶聯劑上的-NH₂與氧化石墨烯納米片上的-COOH發生脫水縮合反應，實現鈦基材料與氧化石墨烯納米片以C-N共價鍵結合。