鐵基自潤滑復(fù)合材料增強(qiáng)的研究進(jìn)展與展望

鄒 芹，李園園，李艷國

(1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

Fe基自潤滑復(fù)合材料是將固體潤滑劑和附加組元加入Fe基體中形成的復(fù)合材料，它兼具基體金屬特性和固體潤滑劑摩擦學(xué)特性，可廣泛應(yīng)用于煤礦機(jī)械、耐磨零件等工業(yè)領(lǐng)域[1]。

Fe基自潤滑復(fù)合材料因具有價(jià)格便宜、性能優(yōu)越及易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)等特點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用，但隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料越來越難以滿足復(fù)雜工況上的要求，因此對這類材料的綜合性能提出了更高要求。目前為止，增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的方法主要包括：1)外加硬質(zhì)增強(qiáng)相，能夠細(xì)化Fe合金晶粒，一般通過機(jī)械合金化(MA)細(xì)化粉末得到微米或納米顆粒；2)外加合金元素，可以改善基體與硬質(zhì)相間的潤濕性以提高燒結(jié)性能，從而達(dá)到工程應(yīng)用的性能指標(biāo)[2-3]。近年來，很多學(xué)者對添加劑增強(qiáng)Fe基自潤滑復(fù)合材料進(jìn)行了大量研究，并取得了顯著成果。常用的增強(qiáng)相主要有氧化物、碳化物、纖維、石墨烯等，不同的增強(qiáng)相表現(xiàn)出不同的增強(qiáng)機(jī)制，為今后制備出適應(yīng)復(fù)雜工況的新型Fe基自潤滑復(fù)合材料提供可行性。

基于上述情況，本文綜述了Fe基自潤滑復(fù)合材料增強(qiáng)的研究進(jìn)展，內(nèi)容主要涉及增強(qiáng)相種類、添加方式及機(jī)械、摩擦學(xué)性能等，介紹了不同添加劑的增強(qiáng)機(jī)制，對研發(fā)新型Fe基自潤滑復(fù)合材料具有參考價(jià)值。

1 氧化物增強(qiáng)

1.1 Al2O3

可以看出，采用Al2O3顆粒表面鍍銅和添加活性元素C、Mo等以及改善制備方法等，可以提高Al2O3與Fe基體間的潤濕性，使得Fe基自潤滑復(fù)合材料的耐磨性能提高，可應(yīng)用于齒輪、軸承等機(jī)械零件。

1.2 CeO2

少量稀土氧化物CeO2對粉末冶金Fe-Mo-S材料的組織結(jié)構(gòu)影響很小，卻可以很大程度地改變其摩擦性能[11]。加入適量CeO2可促進(jìn)燒結(jié)[12]，起到降低燒結(jié)溫度、抑制晶粒長大的作用[13]，使Fe-C-Cu基體中珠光體片層細(xì)小、致密，孔隙的尺寸和分布更均勻，提高了試樣材料的表觀硬度，達(dá)1.34 GPa，其摩擦系數(shù)為0.08。但燒結(jié)溫度為800 ℃左右時(shí)，CeO2的晶粒細(xì)化效果并不顯著，推測有其他機(jī)制也在影響其磨損性能。于是WU Y P等[14]探究了CeO2改善Fe基金剛石復(fù)合材料耐磨性的機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)過程中，CeO2顆粒部分溶解在液相Sn中，促進(jìn)了鐵粉表面的氧化鐵黏附于CeO2顆粒表面，從而提高了樣品致密化程度。但過量的CeO2因會(huì)形成多種夾雜物[15]，導(dǎo)致氣孔率增加。Fe基復(fù)合材料中添加0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后同)CeO2時(shí)的硬度約為2.01 GPa，抗彎強(qiáng)度達(dá)934 MPa，其抗彎強(qiáng)度比未添加試件高約6%，但其耐磨性并不最佳。而添加0.8% CeO2復(fù)合材料的耐磨性最好，其磨損率低至4.87×10-4mm3/(N·m)，這一是因?yàn)镃eO2顆粒作為燒結(jié)助劑[12]，促進(jìn)了所制樣品的致密化；二是CeO2顆粒更容易在Sn相附近聚集，液相中快速的擴(kuò)散流動(dòng)有助于致密化和晶粒生長過程；三是由于Fe粉表面的Fe2O3很容易在極低的溫度下擴(kuò)散到CeO2顆粒表面，形成一層非晶態(tài)薄膜[16]，從而促進(jìn)了Fe與Sn之間的擴(kuò)散。

隨著CeO2含量的提高，F(xiàn)e基自潤滑復(fù)合材料的磨損率下降，量級為10-4mm3/(N·m)，同時(shí)復(fù)合材料在保持一定耐磨性的基礎(chǔ)上提高硬度，可達(dá)1～2 GPa，應(yīng)用于軸承等機(jī)械零部件。

1.3 ZrO2/TiO2

納米ZrO2、TiO2陶瓷顆粒，具有高強(qiáng)度、高硬度等特性。ZrO2添加到Fe基體中時(shí)，會(huì)增加復(fù)合材料的硬度；而TiO2會(huì)自發(fā)形成穩(wěn)定且致密的氧化層，使復(fù)合材料具有減摩性能。Parveez等[17]嘗試在制作滑動(dòng)軸承用Fe基復(fù)合材料中添加增強(qiáng)相ZrO2，發(fā)現(xiàn)納米顆粒在燒結(jié)過程中與Fe基體形成了具有更高硬度的Zr6Fe3O相[18]，不僅可以提高基體硬度，約1.99 GPa，還能降低軸承材料的磨損率，約4.011×10-5mm3/(N·m)。這是因?yàn)楣腆w潤滑劑MoS2在界面處形成潤滑層，加上ZrO2顆粒在滑動(dòng)過程中滲透到摩擦表面，改變了嚙合表面之間接觸點(diǎn)的材料特性(修補(bǔ)效應(yīng))，獲得了最小摩擦系數(shù)值，約0.042 1。同時(shí)為了提高軸承的耐久性和壽命，Ali等[19]通過添加納米TiO2和納米TiO2/石墨烯來提高M(jìn)50鋼的摩擦學(xué)性能，采用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)來制備MT(M50-TiO2)，MTG(M50-TiO2-Graphene)。發(fā)現(xiàn)MT比MTG試樣具有更高的抗磨性能，是因?yàn)镸T試樣在磨損過程中生成了更細(xì)小的TiO2和Ti2O3顆粒，試樣硬度提高至4.4 GPa。通過對摩擦表面自潤滑層微觀結(jié)構(gòu)的分析，如圖1所示，TiO2納米顆粒促進(jìn)了再生摩擦表面上自潤滑層的形成。自潤滑層可分為兩層，即一種再生潤滑層，后跟一層壓實(shí)潤滑層。自潤滑層均勻地存在于MT橫截面形貌的磨損表面上，如圖1(a)所示，能夠延遲或防止粘著磨損的發(fā)生。使得MT與M50鋼在不同溫度下(25～450 ℃)相比，平均摩擦系數(shù)降低了(24.58±0.11)%。

Fe基自潤滑復(fù)合材料中常添加氧化物包括Al2O3、CeO2、ZrO2、TiO2等[20]，作為增強(qiáng)相，主要起到了彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等作用。從增強(qiáng)效果來看：1)添加納米ZrO2/TiO2顆粒的復(fù)合材料耐磨性最好，其磨損量級是10-5mm3/(N·m)；2)添加活性合金元素如C、Mo等的復(fù)合材料硬度最高，可達(dá)4.79 GPa[10]。

圖1 自潤滑層的組織Fig.1 Microstructure of self-lubricating layer

2 碳化物增強(qiáng)

2.1 TiC

TiC顆粒與熔融Fe間的潤濕角θ為28°，且兩者之間無界面反應(yīng)。TiC顆?？赏ㄟ^多種方式制備，如鋁熱還原、碳熱還原以及原位合成[21-23]。原位合成的顆粒尺寸更細(xì)小，且表面無污染，需要的初始材料更便宜。NI Z F等[23]采用原位合成技術(shù)制備了TiC增強(qiáng)奧氏體不銹鋼，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中的TiC顆粒分布基本均勻，且與奧氏體基體之間的界面干凈、無污染，TiC顆粒的加入細(xì)化了基體的晶粒結(jié)構(gòu)，提高了304奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能，但韌性有所下降。Erden等[24]發(fā)現(xiàn)均勻彌散分布的TiC顆?？赏ㄟ^抑制晶粒長大，提高其強(qiáng)韌性。此外，采用鑄滲和熱處理結(jié)合法[25]、對原料粉進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散處理[26]，均使形成的TiC顆粒在Fe基體中分布均勻。而彌散分布的TiC顆粒對材料的力學(xué)性能起到至關(guān)重要的作用，使得復(fù)合區(qū)域的平均顯微硬度值約為22.54 GPa[24]，抗彎強(qiáng)度達(dá)613.7 MPa[26]。而陳路路[27]通過非化學(xué)計(jì)量比化合物TiCx(x<0.7)來增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料，依靠增強(qiáng)顆粒的支撐和釘扎作用以及氧化物薄膜的保護(hù)作用，使得采用熱壓燒結(jié)制備出抗拉強(qiáng)度(518 MPa)和摩擦學(xué)性能(摩擦系數(shù)為0.043，磨損率為6.71×10-6mm3/(N·m))良好的Fe基自潤滑復(fù)合材料。

可以看出，TiC增強(qiáng)Fe基自潤滑復(fù)合材料的機(jī)械性能及耐磨性能要好，且非化學(xué)計(jì)量比TiCx比TiC的潤濕性好[27]，使得復(fù)合材料的磨損量級為10-6mm3/(N·m)，其摩擦系數(shù)也與氧化物增強(qiáng)的復(fù)合材料相似。

底肥施用新洋豐微生物菌劑40kg/畝+有機(jī)肥120kg/畝+百倍邦海藻肥50kg/畝；追肥按需分4次施百倍邦海藻肥+百倍邦生根劑。右邊轉(zhuǎn)租出去土地，仍按當(dāng)?shù)亓?xí)慣施用相等數(shù)量的某國產(chǎn)有機(jī)肥加某進(jìn)口復(fù)合肥。追肥分4次按需施用。

2.2 WC

與TiC、Al2O3等顆粒相比，WC顆粒與Fe基體間的潤濕角為0°，無需對顆粒表面進(jìn)行涂層處理。由于采用P/M法制備的Fe基復(fù)合材料和零件存在強(qiáng)度低、硬度不足等問題，因此李小強(qiáng)等[28]采用MA和SPS相結(jié)合的方法制備Fe基自潤滑復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)添加WC顆粒能加劇高能球磨對混合粉末的破碎效果，有助于獲得顆粒和晶粒更細(xì)小的合金粉末，WC納米顆粒均勻彌散分布在合金基體上，起到第二相強(qiáng)化作用[29]，使Fe-Cu-Ni-Mo-C復(fù)合材料的硬度和抗彎強(qiáng)度分別提高了1.72 GPa和488 MPa。

2.3 SiC

SiC顆粒與Fe基體間的接觸面在800 ℃以上會(huì)發(fā)生固相反應(yīng)，使復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度降低。黃小琴等[30]和種詳遠(yuǎn)等[31]通過高溫?zé)Y(jié)分別制備了添加Ni、Cr、Mo等合金元素和鍍銅增強(qiáng)顆粒的Fe-SiC復(fù)合材料，都通過改善Fe基體與SiC顆粒的相容性，提高復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度。

De Mello等[32]提出了一種新的加工路線，即：使用等離子體輔助脫脂和燒結(jié)工藝(PADS)以及固體潤滑顆粒的原位生成。在原料制備過程中，由于前驅(qū)體(SiC顆粒)與金屬基粉末的離解作用，原位生成石墨結(jié)核，實(shí)現(xiàn)了固體潤滑劑離散顆粒的均勻分散。隨后該課題室開展了一系列的研究，通過添加Ni、Mo合金元素[33]，提高復(fù)合材料的硬度至3.83 GPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)801 MPa。為了從微觀角度深入了解復(fù)合材獲得優(yōu)異摩擦學(xué)性能的行為，Binder等[34]對Fe基基體中SiC解離過程的顯微結(jié)構(gòu)及石墨結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。由圖2(a)分析證實(shí)了石墨和α-Fe的形成，發(fā)現(xiàn)石墨峰的強(qiáng)度隨著溫度的升高而增加，該峰的發(fā)展證實(shí)了石墨結(jié)節(jié)的形成，如圖2(b)所示，其條紋表示單個(gè)碳層，由插圖中斑點(diǎn)呈橢圓形可判斷是渦輪層狀石墨。因此，由3% SiC原位形成的石墨結(jié)節(jié)，可將復(fù)合材料的摩擦系數(shù)顯著降低至0.06，這可能是因?yàn)槭褟氖Y(jié)節(jié)中除去，但仍保留在界面上，從而形成了保護(hù)性摩擦層。

圖2 650～1 200 ℃/10 min制備Fe/0.6C/3SiC復(fù)合材料的XRD及石墨結(jié)節(jié)的HRTEM圖Fig.2 XRD of Fe-C-SiC composite prepared at 650～1 200 ℃/10 min and HRTEM image of graphite nodules

綜上，碳化物主要起到細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等作用，TiC、WC、SiC顆粒增強(qiáng)Fe基自潤滑復(fù)合材料的機(jī)械性能高于氧化物增強(qiáng)復(fù)合材料，且對Fe-SiC復(fù)合材料提出了一個(gè)新的加工路線，原位生成固體潤滑劑，可大幅度提高其分布均勻性，提高復(fù)合材料的耐磨性，使得復(fù)合材料在耐磨性的工業(yè)應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。

3 纖維增強(qiáng)

3.1 不銹鋼纖維

不銹鋼纖維具有抗沖擊性能好和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，與Fe基體有著良好的潤濕性和化學(xué)相容性。郭青等[35]發(fā)現(xiàn)不銹鋼纖維在Fe基復(fù)合材料中分布均勻，且與基體有較好的接觸，交叉分布的纖維網(wǎng)絡(luò)對裂紋擴(kuò)展起到了抑制作用。且隨著纖維含量的增加，材料的抗拉強(qiáng)度(228.63 MPa)、硬度(1.2～1.25 GPa)和耐磨性能明顯增大，但含量過高會(huì)降低抗拉強(qiáng)度。因此，為了提高Fe基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，通過有限元方法對不同參數(shù)的不銹鋼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了計(jì)算和比較研究[36]，選擇熱膨脹系數(shù)和彈性模量較大的纖維且體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，可以達(dá)到較好的強(qiáng)化效果。

3.2 碳纖維

碳纖維比不銹鋼纖維具有更高的比模量、比強(qiáng)度。作為增強(qiáng)體而言，可以增強(qiáng)Fe基體強(qiáng)度，同時(shí)碳纖維具有自潤滑性能，可以有效減少對偶磨損，但碳纖維的含量會(huì)顯著影響基體強(qiáng)度。

孫亞琴等[37]研究發(fā)現(xiàn)Fe-碳纖維試樣比Fe-石墨試樣的抗拉強(qiáng)度更高，如圖3(a)所示。這是因?yàn)樘祭w維粉中有許多細(xì)長的組織，這些組織能起到牽引作用，會(huì)增加材料的抗拉強(qiáng)度。之后探究了碳纖維含量對復(fù)合材料硬度和耐磨性能的影響，F(xiàn)ENG S P等[38]和陳莉等[39]發(fā)現(xiàn)碳纖維和基體之間的連接良好，如圖3(b)所示，當(dāng)纖維含量較少時(shí)，與基體結(jié)合區(qū)域較小，且纖維周圍有許多小孔，會(huì)導(dǎo)致表面整體較疏松。而纖維含量較多，如圖3(c)、3(d)所示，會(huì)與基體的結(jié)合呈片狀向外延伸，有效增加了結(jié)合面積區(qū)域，使Fe-碳纖維復(fù)合材料的硬度高達(dá)8.33 GPa。同時(shí)碳纖維相比Ag對M50復(fù)合材料的耐磨性能更為突出[38]，碳纖維作為增強(qiáng)相，支撐著Ag在負(fù)載作用下在基底表面富集形成的潤滑膜，使得MAC(M50-5.0% Ag-5.0% 碳纖維)在10 N載荷下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，其摩擦系數(shù)和磨損率分別是0.212和1.6×10-3mm3/(N·m)。

圖3 鐵-碳纖維復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度與組織結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Compressive strength and microstructure of Fe-carbon fiber composite

綜上，纖維增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料一般是通過P/M法制作，主要制造剎車片、軸承等零件。纖維在復(fù)合材料中主要起到承擔(dān)載荷、抵抗磨損的作用。不銹鋼纖維較碳纖維增強(qiáng)Fe基自潤滑復(fù)合材料的成本低，但添加碳纖維的復(fù)合材料綜合性能好，適量碳纖維的加入，可以有效地增加結(jié)合面積區(qū)域，使復(fù)合區(qū)域硬度高達(dá)8.33 GPa[38]。

4 石墨烯增強(qiáng)

2004年，Geim和Novoselov采用機(jī)械剝離法首次發(fā)現(xiàn)了在室溫下以二維晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在的石墨烯[40]。石墨烯不易與基體發(fā)生界面反應(yīng)，且優(yōu)于傳統(tǒng)顆粒增強(qiáng)材料，是提高Fe基自潤滑材料性能的理想增強(qiáng)體。

徐建新等[41-42]采用性能優(yōu)異的石墨烯代替貴金屬元素，通過P/M法制備Fe-石墨烯復(fù)合材料，經(jīng)燒結(jié)后，發(fā)現(xiàn)石墨烯存在于晶界周圍，起到了細(xì)化晶粒的作用，當(dāng)受到外部載荷時(shí)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力也越高，進(jìn)一步提高材料的硬度(1.46 GPa)。已有的研究文章中大多是通過P/M或SPS[43]來制備復(fù)合材料，而LIU X Y等[44]對比了SPS與激光添加劑制造(LAM)法制備的Fe基石墨烯復(fù)合材料(MGC)摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在25～550 ℃之間，MGC-LAM比MGC-SPS具有更優(yōu)異的摩擦磨損性能，這是由于致密的珊瑚狀微結(jié)構(gòu)，是由上部均勻的石墨烯潤滑膜和下部致密層組成的表面潤滑結(jié)果，而MGC-SPS的潤滑膜不均勻，則導(dǎo)致其潤滑性能不穩(wěn)定。

石墨烯增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的主要強(qiáng)化機(jī)制是基體向增強(qiáng)體的載荷傳遞，也發(fā)現(xiàn)石墨烯不均勻的分布在Fe基體中，使得復(fù)合材料的潤滑性能不穩(wěn)定。這就對制造方法、石墨烯尺寸大小及其分布均勻性提出了更為苛刻的要求，從而進(jìn)一步增加制造成本。其次，石墨烯增強(qiáng)Fe基自潤滑復(fù)合材料在機(jī)械性能的提升上并未獲得令人滿意的結(jié)果，仍然具有很大的潛力。

5 復(fù)合增強(qiáng)

20世紀(jì)70年代，復(fù)合增強(qiáng)型材料開始出現(xiàn)，研究者們采取了將多種單一增強(qiáng)相加入基體中的方法，發(fā)揮增強(qiáng)相各自的優(yōu)勢，得到綜合性能良好的復(fù)合材料，這是一種新的復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制備理念。

5.1 同種類型復(fù)合

同種類型復(fù)合表示為相同類型物相的添加劑對自潤滑材料起共同增強(qiáng)作用。石墨是Fe基自潤滑復(fù)合材料常用的固體潤滑劑，但石墨粉本身的硬度較低，為了降低石墨對Fe基自潤滑復(fù)合材料硬度的負(fù)面影響[45]，添加W、Cr等合金元素與石墨發(fā)生反應(yīng)，形成更多的芯共晶(珠光體/Fe3C)和Fe3C、Fe3W3C和(Cr，F(xiàn)e)7C3增強(qiáng)相。如圖4，F(xiàn)e-Ni-3% C復(fù)合材料的平均顯微硬度達(dá)到最大值(約3.41 GPa)，約為16錳鋼基體的2倍。

5.2 不同種類型復(fù)合

不同種類型復(fù)合表示為不同類型物相的添加劑對自潤滑材料起共同增強(qiáng)作用。郭俊德等[46-47]探討了Fe基高溫自潤滑復(fù)合材料在室溫和高溫下的摩擦學(xué)特性。由圖5(a)看出，F(xiàn)M(Fe-Mo-石墨)、FMN(Fe-Mo-Ni-石墨)和FMNC(Fe-Mo-Ni-Cu-石墨)3種材料的磨損率均隨溫度升高而降低，同一溫度下三者的磨損率相差并不大。這是因?yàn)镕e在空氣中氧化形成了Fe2O3和Fe3O4組成的氧化膜，如圖5(b)所示，阻止了復(fù)合材料與對磨件的直接接觸。同時(shí)Ni、Cu的共同加入起到了固溶強(qiáng)化和石墨化作用，如圖5(c)、5(d)所示，游離石墨與反石墨化元素Mo的接觸增多，生成較多鉬的碳化物(Mo2C、Fe2MoC)，提高材料的硬度達(dá)1.11 GPa，獲得了良好的摩擦學(xué)性能，其摩擦系數(shù)是0.28，磨損率是2×10-5mm3/(N·m)。而石墨粉本身的強(qiáng)度較低，加入復(fù)合材料會(huì)降低材料的力學(xué)性能，因此,使用石墨烯或碳纖維來提高Fe基自潤滑復(fù)合材料的綜合性能。Ali等[19]探究了TiO2/石墨烯混合納米材料制造的M50復(fù)合材料(MTG)在25～450 ℃的溫度下的磨損性能。結(jié)果表明，摩擦表面的抗磨性能主要體現(xiàn)在摩擦表面形成自潤滑層，其主要成分是TiO2-石墨烯潤滑劑，并形成一些新的碳化物和氧化物。與M50鋼相比，MTG樣品在不同溫度下的平均摩擦系數(shù)降低了(37.87±0.12)%，抗磨性能提高了(86.9±0.05)%。而任澍忻等[48]向Fe-石墨自潤滑復(fù)合材料中添加碳纖維，發(fā)現(xiàn)碳纖維與其他組元(包括潤滑組元石墨、MoS2，摩擦組元SiC、Al2O3、鋯英砂等)之間只是簡單的機(jī)械結(jié)合，不發(fā)生任何反應(yīng)。由于碳纖維是類似石墨的片狀結(jié)構(gòu)，具有良好的自潤滑性能，可在摩擦磨損過程中，不但起到強(qiáng)化基體(硬度為1.14 GPa)的作用，還可以協(xié)同石墨與MoS2起到潤滑組元的效果，從而使復(fù)合材料具有較低的摩擦系數(shù)(0.58)及較好的穩(wěn)定性。

圖4 Fe-Ni-C復(fù)合材料的磨損機(jī)理圖Fig.4 Wear mechanism of Fe-Ni-C composite

圖5 鐵基耐高溫自潤滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性Fig.5 Tribological properties of Fe based high temperature resistant self-lubricating composite

綜上，采用復(fù)合增強(qiáng)相，可彌補(bǔ)單一增強(qiáng)相添加時(shí)導(dǎo)致的硬度較低、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定等問題，從而獲得綜合性能較好的Fe基自潤滑復(fù)合材料，使其應(yīng)用范圍更廣，目前對于復(fù)合增強(qiáng)的研究中，通過氧化物和碳化物協(xié)同提高復(fù)合材料綜合性能的研究較多，相比之下對于石墨烯、纖維等與氧化物、碳化物的復(fù)合添加的研究較少，因此之后應(yīng)加強(qiáng)對這部分的研究。

綜合本文所引文獻(xiàn)繪制了添加增強(qiáng)相的Fe基自潤滑復(fù)合材料性能關(guān)系圖，如圖6所示。只對比Fe-增強(qiáng)相自潤滑復(fù)合材料的硬度、抗拉強(qiáng)度、摩擦系數(shù)及磨損率，可由圖6(a)～(c)表明石墨烯制備的Fe基復(fù)合材料的增強(qiáng)效果最佳，氧化物和碳化物主要提高了自潤滑材料的強(qiáng)度和硬度，而復(fù)合添加劑既提高了自潤滑材料的硬度，也能降低復(fù)合材料的磨損。從年份和摩擦系數(shù)的關(guān)系圖，如圖6(d)中可以看出，起初制備的Fe基自潤滑復(fù)合材料是單一增強(qiáng)相添加，材料的摩擦系數(shù)較高，其耐磨性較差；隨著研究的不斷深入，復(fù)合增強(qiáng)相及石墨烯的添加，可以提高Fe基復(fù)合材料的耐磨性。

圖6 鐵基自潤滑復(fù)合材料的性能散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter diagram of performance of Fe based self-lubricating composite

6 展望

目前采用的Fe基自潤滑復(fù)合材料的增強(qiáng)相有氧化物、碳化物、硼化物、纖維及石墨烯等，它們的添加有助于改善復(fù)合材料的性能，已在工程中取得了顯著效果。為了更好地指導(dǎo)Fe基自潤滑復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用，今后在以下幾個(gè)方面還需要進(jìn)行深入研究：

關(guān)于Fe基復(fù)合材料界面結(jié)合形式，并沒有完整體系，若加強(qiáng)這方面的研究有助于開發(fā)能夠適應(yīng)更復(fù)雜工況的材料。

石墨烯增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料制備的發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器等汽車零件具有良好抵抗變形的能力，但石墨烯優(yōu)異的性能并沒有在復(fù)合材料中充分發(fā)揮，強(qiáng)化效率也有待提高。

復(fù)合增強(qiáng)相增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料擴(kuò)大了其應(yīng)用工況，如高溫。但目前Fe基復(fù)合材料的應(yīng)用工況不再單一，今后仍需加強(qiáng)在復(fù)合增強(qiáng)相方面的研究。

以上問題表明，F(xiàn)e基自潤滑復(fù)合材料的應(yīng)用范圍有待提高，因此進(jìn)一步改善制備工藝，開發(fā)新型增強(qiáng)相和Fe基自潤滑復(fù)合材料是未來該研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。