專利名稱：皂鹽磷嗪復(fù)合潤滑薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有納米厚度的皂鹽磷嗪復(fù)合潤滑薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多領(lǐng)域中，常規(guī)機械器件尺寸有逐漸減少的趨 勢。微/納米裝置開始在許多領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。美國政府對該領(lǐng) 域非常關(guān)注，插手了從汽車研究到光學(xué)研究的幾乎所有的微型機械的領(lǐng)域。微/ 納米裝置的進一步發(fā)展，必須解決該類型裝置中的摩擦與磨損問題。因此制備具 有良好摩擦學(xué)性能的薄膜對解決微/納米裝置中存在的摩擦磨損問題就顯得尤 為重要。在微/納米裝置的潤滑中，LB膜、自組裝薄膜、聚合物薄膜等都得到 了廣泛的關(guān)注。由有機化合物制備成的具有納米厚度的潤滑層越來越得到了廣泛 的實際應(yīng)用，皂鹽類有機潤滑薄膜在氣浮軸承上發(fā)揮了重大作用，全氟聚醚作為 潤滑薄膜更多的使用在磁記錄工業(yè)中作為計算機硬盤潤滑劑(US patent 112238)。鋼/硅為摩擦副在相對較低的滑動速度下，單純的皂鹽薄膜作為邊界 潤滑層耐磨壽命較差。為了提高該條件下薄膜的耐磨壽命，增加滑動摩擦過程中 薄膜的穩(wěn)定性，制備了摻雜磷嗪的復(fù)合薄膜。磷嗪類化合物具有較好的理化性能， 因此作為潤滑油和改善潤滑油的抗磨和承載能力的添加劑也被廣泛的研究。Dow 化學(xué)公司的研究人員重點研究了含氟芳氧基環(huán)狀三聚磷嗪酯的性能。他們考察了 大量環(huán)狀三聚磷嗪化合物，在綜合考慮各化合物的傾點、氧化安定性、潤滑性能 以及原料價格的基礎(chǔ)上，選擇[四(3-三氟甲基苯氧基)一二(4-氟苯氧基)]三聚磷嗪 (X-1P)作為未來航空發(fā)動機潤滑油的候選液。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種皂鹽磷嗪復(fù)合潤滑薄膜的制備方法。
我們發(fā)現(xiàn)將磷嗪X-1P摻雜到皂鹽中制備具有納米厚度的復(fù)合薄膜，能夠改 善單一的皂鹽薄膜在鋼/硅為摩擦副在相對較低的滑動速度下耐磨壽命很差的弱點，在一定程度上提高薄膜的耐磨壽命。 本發(fā)明的制備方法包括以下步驟 a基底材料的選擇
選擇潔凈的單晶硅片或玻璃片作為基底材料； b摻雜磷嗪X-1P的皂鹽復(fù)合薄膜的制備
將硬脂酸鉀和磷嗪X-1P加入到無水乙醇中配成混合溶液，控制提拉速度為 40-50cm/min，采用浸漬提拉法制備慘雜磷嗪X-1P的皂鹽復(fù)合薄膜；
c熱處理
將涂覆于基底材料上的薄膜在60。C 100。C條件下熱處理1~3小時。 磷嗪X-1P的結(jié)構(gòu)式用式(I)表示
本發(fā)明將硬脂酸鉀和磷嗪X-1P加入到無水乙醇中配成混合溶液，溶液中溶 質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為0.2 0.5%,其中磷嗪X-1P占溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為5% 50%。
本發(fā)明制備的皂鹽磷嗪復(fù)合潤滑薄膜，對于多種不同的材料作為摩擦副均 有較好的摩擦學(xué)性能，在低載荷下具有很低的摩擦系數(shù)和較長的耐磨壽命。
摩擦磨損測試方法如下
摩擦磨損試驗機為日本協(xié)和株式會社生產(chǎn)的動靜摩擦系數(shù)測定儀，滑動速 度為100mm.min" 160mm'min-1，單向滑動行程為9mm，法向載荷為0.5 3.0N。 當摩擦系數(shù)上升至0.4時認為薄膜已經(jīng)失效，以此時所經(jīng)歷的滑動循環(huán)次數(shù)表示 薄膜的耐磨壽命。對偶件選用(l)3GCrl5鋼球和Si3N4陶瓷球。結(jié)果顯示復(fù)合潤滑 薄膜能夠降低摩擦系數(shù)，磨斑較小，具有較好的減摩抗磨作用。在Si3N4陶瓷球 為對偶、相對較低的載荷下，潤滑薄膜的摩擦系數(shù)低于O.IO，耐磨壽命超過5000次。
選用美國CETR公司UMT-2MT微摩擦試驗機測試高速下薄膜的耐磨損性 能，滑動速度為720mm.min" 14400mni.min"，往復(fù)滑動行程為6mm，法向載 荷為0.1 0.5N。當摩擦系數(shù)上升至0.4時認為薄膜己經(jīng)失效，以此時所經(jīng)歷的 滑動時間表示薄膜的耐磨壽命，可以計算出對偶在薄膜上經(jīng)歷的滑動次數(shù)。對偶 件選用(()3 GCrl5鋼球。測試結(jié)果載荷為0.2N，滑動速度為14400 mnvmin—1時， 耐磨壽命超過14萬次。
本發(fā)明得到的復(fù)合潤滑薄膜厚度為10 20nrn，為解決苛刻條件下的邊界潤滑 和摩擦磨損問題提供了新的途徑。具體有望用于要求邊界潤滑和要求潔凈的條件 下，如氣浮軸承，微型機械，電接觸開關(guān)，微型機械等裝置中得到應(yīng)用。
具體實施例方式
為了更好地理解本發(fā)明現(xiàn)舉例加以說明。 實施例1:
羥基化單晶硅基底上復(fù)合薄膜的制備-
1、 對單晶硅片進行預(yù)處理，將單面拋光的單晶硅片在丙酮中超聲清洗15 分鐘，高純氮氣吹干，置入體積比為7:3的濃H2S04和30%&02溶液中，保持 卯'C反應(yīng)2小時，用蒸餾水超聲清洗。高純氮氣高速吹干，得到潔凈的表面羥基 化的單晶硅片。
2、 配制質(zhì)量分數(shù)為0.5y。的硬脂酸鉀和磷嗪X-lP的乙醇溶液，控制溶質(zhì)中 磷嗪X—1P的質(zhì)量分數(shù)占溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的5%。
3、 利用浸漬一提拉法制備薄膜，控制單晶硅片垂直提拉速度為42.4cm/min。
4、 將樣品在大氣氣氛下，60°C~100°C條件下熱處理1 3小時左右。得到 的薄膜的厚度為15nm左右。
摩擦學(xué)性能
對GCrl5鋼球摩擦摩擦磨損試驗結(jié)果表明載荷為0.5N、滑動速度為160 mnvmin"時，薄膜的摩擦系數(shù)穩(wěn)定值為0.0 8 0.12,耐磨壽命為140次左右。相
5比于鋼球在硬脂酸鉀薄膜上只能經(jīng)歷80次左右滑動過程，有了一定程度的提高。載荷為0.2N，滑動速度為14400 mnvmin—1時，復(fù)合薄膜的耐磨壽命超過14萬次。說明在GCrl5鋼球為摩擦副的條件下，復(fù)合薄膜在更低的載荷和更高的滑動速度下具有較好的耐磨壽命。
相對較低載荷下和較高的滑動速度下本發(fā)明所制備的復(fù)合薄膜具有較好的抗磨性能，適合解決較低負荷下較高滑動速度下的潤滑問題。
薄膜對Si3N4陶瓷球的摩擦磨損試驗結(jié)果表明0.5N 3.0N負荷下，滑動速度為160 mm.min—1時，薄膜的摩擦系數(shù)維持在0.06~0.09，耐磨壽命均大于5000次，說明薄膜在相對較低負荷下和相對較低的滑動速度下能夠適用于SbN4陶瓷摩擦副材料。載荷為0.2N，滑動速度為14400 mm.min"時，復(fù)合薄膜的耐磨壽命超過14萬次。說明在Si3N4陶瓷球為摩擦副的條件下，復(fù)合薄膜在低載荷、高滑動速度下同樣具有較好的耐磨壽命。
相對較低載荷下本發(fā)明所制備的薄膜具有較好的抗磨性能，能夠解決Si3N4為摩擦副在較低負荷下的潤滑問題。
實施例2:
羥基化單晶硅基底上復(fù)合薄膜的制備
1、 利用同實施例1步驟1的方法得到表面羥基化的單晶硅片。
2、 配制質(zhì)量分數(shù)為0.5。/。的硬脂酸鉀和磷嗪X-lP的乙醇溶液，控制溶質(zhì)中磷嗪X—1P的質(zhì)量分數(shù)占溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的10%。
3、 操作步驟同實施例1步驟3。
4、 操作步驟同實施例1步驟4。
對GCrl5鋼球摩擦摩擦磨損試驗結(jié)果表明在載荷為0.5N 3.0N，滑動速度為100 mm.min-^WO mm.min-1時，該方法制備復(fù)合薄膜的摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，耐磨壽命最長超過200次。
薄膜對Si3N4陶瓷球的摩擦磨損試驗結(jié)果表明在0.5N 3.0N負荷下，薄膜的摩擦系數(shù)維持在0.06 0.09，滑動速度為100 mm.min—1 160 mm,min-1時，耐磨壽命均大于5000次，而且在滑動摩擦過程中摩擦系數(shù)相當穩(wěn)定。說明復(fù)合薄膜在相對較低負荷下能夠更適用于Si3N4陶瓷摩擦副材料。實施例3:
羥基化單晶硅基底上復(fù)合薄膜的制備
1、 利用同實施例1步驟1的方法得到表面羥基化的單晶硅片。
2、 配制質(zhì)量分數(shù)為0.5。/。的硬脂酸鉀和磷嗪X-1P的乙醇溶液，控制溶質(zhì)中
磷嗪X—1P的質(zhì)量分數(shù)占溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的33%。
3、 操作步驟同實施例1步驟3。
4、 操作步驟同實施例1步驟4。
對GCd5鋼球摩擦摩擦磨損試驗結(jié)果表明在載荷為0.5N 3.0N，滑動速度為100 mm.min—^160 mnvmin—1時，該方法制備復(fù)合薄膜的摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，耐磨壽命最長超過300次。
薄膜對Si3N4陶瓷球的摩擦磨損試驗結(jié)果表明0.5N 3.0N負荷下，滑動速度為100 mnwnin—1 160 mnvmin—i時，薄膜的摩擦系數(shù)維持在0.06 0.109,耐磨壽命均大于5000次，而且在滑動摩擦過程中摩擦系數(shù)相當穩(wěn)定。說明復(fù)合
薄膜在相對較低負荷下能夠更適用于Si3N4陶瓷摩擦副材料。實施例4:
潔凈的玻璃基底上復(fù)合薄膜的制備
1、 取潔凈的玻璃片作為基底材料，利用同實施例1步驟1的方法得到表面清潔的玻璃片。
2、 操作步驟同實施例3步驟2。
3、 操作步驟同實施例1步驟3。
4、 操作步驟同實施例1步驟4。
該方法制備的復(fù)合薄膜在載荷為0.5N，滑動速度為160 mm.min—1時，對GCrl5鋼球的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.06 0.10，耐磨壽命超過300次，對Si3N4陶瓷球的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.06 0.10，耐磨壽命超過5000次。
權(quán)利要求
1、一種皂鹽磷嗪復(fù)合潤滑薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟a 基底材料的選擇選擇潔凈的單晶硅片或玻璃片作為基底材料；b 摻雜磷嗪X-1P的皂鹽復(fù)合薄膜的制備將硬脂酸鉀和磷嗪X-1P加入到無水乙醇中配成混合溶液，控制提拉速度為40-50cm/min，采用浸漬提拉法制備摻雜磷嗪X-1P的皂鹽復(fù)合薄膜；c 熱處理將涂覆于基底材料上的薄膜在60℃～100℃條件下熱處理1～3小時。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將硬脂酸鉀和磷嗪X-1P加入到無水乙醇中配成混合溶液，溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為0.2 0.5%，其中磷嗪X-1P占溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為5% 50%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有納米厚度的皂鹽磷嗪復(fù)合潤滑薄膜的制備方法。本發(fā)明利用皂鹽、磷嗪X-1P為成膜材料，在清潔的基底材料上制備潤滑薄膜。制備過程和方法簡單，得到的復(fù)合潤滑薄膜厚度為10～20nm，對于幾種不同的材料作為摩擦副均具有較好的摩擦學(xué)性能，在低載荷高滑動速度下具有很低的摩擦系數(shù)和較長的耐磨壽命。具有納米厚度的皂鹽復(fù)合薄膜可望在氣浮軸承、電接觸開關(guān)、微型機械等裝置中得到應(yīng)用。
文檔編號C10M105/74GK101463285SQ200710307280
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者波 于, 劉旭慶, 劉維民, 峰 周, 梁永民 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所