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随着电沉积摩擦学涂层技术的发展,多元复合耐磨减摩涂层的制备已成为摩擦学领域的研究方向之一。多元复合电沉积是将各种性能的粒子共沉积在基体表面,各相粒子之间的影响及协同作用机理已成为现阶段研究的难点。而复合材料的选择更是成为重中之重。石墨烯因其特殊的二维结构,引起了很多研究人员的关注,也逐渐被应用于摩擦学部件。然而因其在水溶液中分散性能不好,而且价格较贵,所以电沉积石墨烯复合涂层的制备以及其摩擦学机理的研究还有待于进行深入的研究。 本文采用水解氧化石墨烯的方式,在沉积过程中,使其经过阴极还原成石墨烯复合到镀层中。通过纳米复合电镀的方法,利用脉冲电沉积技术与多元纳米复合技术相结合的协同优势,将具有耐磨减摩特性的石墨烯与性能较为良好的铜锡合金共同沉积在复合材料中,获得Cu-Sn-石墨烯复合镀层。同时采用合适的表面活性剂,对PTFE、稀土氧化物进行了分散,制备了纳米 TiO2溶胶,获得了性能稳定、分散均匀的复合镀液。利用纳米二氧化钛(TiO2)粒子、聚四氟乙烯(PTFE)及稀土氧化物氧化镧(La2O3)依次对Cu-Sn-石墨烯复合镀层进行改性,进一步提高强度、耐磨耐蚀等多项指标,以实现在复杂工况下延长机械零件寿命、提高综合性能的目的。 在优选的工艺参数组合下,采用脉冲电沉积方式,制备了一系列 Cu-Sn-石墨烯、Cu-Sn-石墨烯-TiO2、Cu-Sn-石墨烯-TiO2-PTFE等润滑相与强化相共存的多元复合镀层。采用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪、摩擦磨损试验机及电化学工作站等仪器设备对镀层的表面形貌、显微硬度、摩擦学性能以及耐腐蚀性能等进行了测试分析,结果表明:Cu-Sn-石墨烯-TiO2-PTFE复合镀层性能良好,镀层表面晶粒细致均匀平整,镀层成分中C元素比重在1.5%~4.5%之间,Ti元素比重在0.25%~0.95%之间,F元素的比重在1.0%~2.5%之间。在适宜的工艺参数及颗粒浓度下,复合镀层表现出优异的耐磨减摩与耐腐蚀特性,硬度达到416HV,腐蚀电位为-0.328V,腐蚀电流密度为2.168×10-5A/cm2,平均摩擦系数在0.12左右。 通过分析各镀层表面形貌、成分、显微硬度、耐腐蚀性能及摩擦学性能之间的关系,并对机理进行研究,结果表明:纳米级石墨烯的加入大大的减小了镀层的摩擦系数,润滑作用非常明显,但是硬度值不高,耐磨性能不好,耐腐蚀性能也较差。当 TiO2颗粒以纳米级溶胶的形式加入到镀液中,复合镀层的硬度和耐磨性得到提高。为了平衡镀层的耐磨和减摩性能,镀液中又加入分散均匀的PTFE颗粒,获得了共沉积的Cu-Sn-石墨烯-TiO2-PTFE多项复合镀层,进一步提高了镀层的综合性能。 为了增加 Cu-Sn-石墨烯-TiO2-PTFE复合镀层粒子的沉积量,改善沉积质量,本实验中采用稀土氧化物La2O3对其进行强化,在镀液中引入La2O3颗粒,研究了其对镀层性能的影响。结果表明:纳米级La2O3颗粒的加入增加粒子沉积量,使得镀层表面晶粒致密性增强,镀片质量有明显的提高。在适宜的浓度下,可以使硬度达到447HV,腐蚀电位为-0.198V,腐蚀电流密度为1.636×10-5A/cm2,平均摩擦系数低至0.1,且耐磨时间增长。