CN104117773A - 一种基于激光织构的自润滑减磨复合结构表面制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光织构的自润滑减磨复合结构表面制备方法，先采用皮秒脉冲激光进行表面织构，然后旋涂可固化的合成润滑剂，再以介电泳力在气液界面上驱动润滑剂向结构内填充，最后通过激光快速扫描和加热深层固化，得道拥有润滑剂填充于三维微、纳米结构内的自润滑减磨复合功能结构表面，本发明使激光织构表面结构内根据人为意图实现深度和位置可控的润滑剂固体填充，从而形成了表面结构在不同位置处的功能改变，如储存固体润滑剂或是存储磨损颗粒，从而制备出自润滑减磨复合功能结构表面，本发明提表面高抗摩减磨特性能的同时实现表面的自润滑。

Description

一种基于激光织构的自润滑减磨复合结构表面制备方法

技术领域

本发明属于激光微加工技术领域，具体涉及一种基于激光织构的自润滑减磨复合结构表面制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展,对仪器、设备及材料的精密度要求越来越高,同时对零件表面的抗磨性能提出了更高的要求。关于抗摩减磨,传统的方法认为,表面越光滑摩擦越小、磨损越少。通常情况下,很多人会选择表面精加工,如对表面进行抛光、研磨等。受材料性质和加工精度的影响,粗糙度始终受到限制,精度越高成本越高,且两者是指数关系。近年来，摩擦学和仿生学相关研究和实践表明,表面并非越光滑则越耐磨,具有一定非光滑形态的表面反而往往具有更好的抗磨性能。

激光表面织构技术就是利用具有一定能量密度的激光束在工件表面上加工出一定形貌的特定结构。它被认为是最易控制的微细形貌造型技术，非常适用于摩擦副工作表面的微观造型。激光表面织构技术由于具有良好的可操控性,以及速度快、能耗低、洁净度高、不受材料限制和易于实现自动控制等一系列不可替代的优点,被广泛认为是较好的表面造型技术，也日益成为研究的热点。目前，对于激光织构表面的抗摩减磨研究，主要集中在以激光与材料作用后的不同尺度、不同形貌以及不同分布的表面结构来提高摩擦副工作表面的抗摩减磨性能。表面形成有规律的人造表面形貌,可以起到捕捉磨粒而减少犁沟形成、作为存储空间给接触表面提供润滑剂以防止咬合、产生流体动压效应以增加承载能力3方面的作用。但是在干摩擦条件下，摩擦副工作表面上的人工规律表面结构的润滑性能受到了一定限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于激光织构的自润滑减磨复合结构表面制备方法，在提高表面抗摩、减磨性能的同时，实现表面的自润滑。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于激光织构的自润滑减磨复合结构表面制备方法，包括下列步骤：

1)制备激光织构表面结构：采用Nd:VAN皮秒脉冲激光在参与摩擦的材料表面上进行织构化处理，烧蚀或诱导出具有微米或纳米级的人工规律的表面结构，皮秒脉冲激光基本参数为：激光波长λ为1064nm或532nm，脉冲频率f为1～100KHz，脉冲宽度τ为10ps；

2)在表面结构涂润滑剂，具体为：

2.1)将1～10微米级的软质磁性磨料用无水乙醇洗涤，然后加入硅烷类偶联剂KH-570，以12～10:1的质量比均匀混合后置入已驱氧的瓶中，通氮气、抽真空直到将乙醇除净，干燥备用；

2.2)将环氧树脂和丙烯酸化合物以2～3.2:1的体积比在75～85℃下混合，并加入2～3wt％二甲基苯苄胺和4～5wt％对二苯酚，待上述反应物冷却至室温后加入4～7wt％光引发剂和2～6wt％热引发剂，制备出光敏树脂；

2.3)将制备好的软质磁性磨料与光敏树脂按85:15～80:20的质量比混合均匀，获得未固化粉末润滑剂；

2.4)未固化粉末润滑剂被均匀涂在激光织构表面结构上，润滑剂涂层厚度为织构结构深度的1～1.2倍；

所述的软质磁性磨料选用MoS2,光引发剂选用三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，热引发剂选用二甲基甲酰胺；

3)平板电极填充：将两个平板电极分别接触到润滑涂层和材料底面，并在电极间施加直流电压，电压大小以介电层不被击穿为限，电场促使材料表面被激光织构所得的腔体会被合成可固化润滑剂填充，平板电极间施加不同的电压使结构内获得不同填充深度的润滑剂；

4)激光扫描固化润滑剂：去除材料表面多余润滑剂，只在表面结构内部存留润滑剂，然后根据润滑剂中固化剂的比例采用不同波长的激光光束进行表面选择性固化，当固化剂为紫外固化剂时采用355nm激光，热辐射固化剂时采用1064nm激光，通过有选择的固化，只有被激光扫描的表面结构内润滑剂才初步变化为固态润滑剂，扫描固化后的激光织构表面置于丙酮、乙醇和二甲基甲酰胺的体积比为1:1:1的混合溶液中，超声波振动的辅助下，将未固化的残留在织构结构内的固化剂和软质磁性材料微粒去除；

5)加热促进润滑剂固化：将上述制备好材料表面置于70～85℃烘箱中加热30～55分钟，进一步促进固态润滑剂的固化。

由于本发明采用了皮秒脉冲激光织构，并以介电泳力代替传统的机械压力在气液界面上驱动润滑剂向结构内填充；平板电极施加不同的电压可使结构内获得不同填充深度，最后选择性固化润滑剂的方式，使激光织构表面结构内根据人为意图承担不同的功能，如储存润滑剂或是存储磨损颗粒，延长摩擦副工件表的使用寿命。

附图说明

图1是本发明在激光织构加工时材料表面断面示意图。

图2是本发明在激光织构表面匀涂合成润滑剂示意图。

图3是本发明的利用平板电极填充合成润滑剂示意图。

图4是本发明的利用激光选择性固化填充润滑剂示意图。

图5是本发明在加热固化被填充润滑剂的结构表面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种基于激光织构的自润滑减磨复合结构表面制备方法，包括下列步骤：

1)制备激光织构表面结构：参照图1，采用Nd:VAN皮秒脉冲激光通过激光扫描振镜加工***1，在参与摩擦的材料表面2上进行织构化处理，即烧蚀或诱导出具有微米或纳米级的人工规律的表面结构，在表面织构化处理中，皮秒脉冲激光基本参数为：激光波长λ为1064nm或532nm，脉冲频率f为1～100KHz，脉冲宽度τ为10ps；激光扫描振镜加工***1的基本参数有：激光工作距离Fd，激光辐射脉冲数N，激光扫描速度S；改变参数，实现微纳米结构表面:使用1064nm波长激光，选用1KHz脉冲频率，输出最大单脉冲能量8μJ,当控制扫描速度S<1mm/s将致使材料表面出现微米槽型结构、S>2mm/s至少将致使材料表面出现纳米波纹结构，当固定点控制控制脉冲数打孔时控制N可实现30～100μm的孔；至于各结构的排布规律可在加工前提前设计好；

2)在表面结构上涂润滑剂，具体为：

2.1)将1～10微米级的软质磁性磨料用无水乙醇洗涤，然后加入硅烷类偶联剂KH-570，以12～10:1的质量比均匀混合后置入已驱氧的瓶中，通氮气、抽真空直到将乙醇除净，干燥备用；

2.2)将环氧树脂和丙烯酸化合物以2～3.2:1的体积比在75～85℃下混合，并加入2～3wt％二甲基苯苄胺和4～5wt％对二苯酚，待上述反应物冷却至室温后加入4～7wt％光引发剂和2～6wt％热引发剂，制备出光敏树脂；

2.3)参照图2，将制备好的质磁性磨料与光敏树脂按85:15～80:20的质量比混合均匀，最终可获得固化粉末润滑剂3；

2.4)未固化粉末润滑剂3被均匀涂在激光织构表面结构上，润滑剂3涂层厚度为织构结构深度的1～1.2倍；

所述的软质磁性磨料选用MoS2,光引发剂选用三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，热引发剂选用二甲基甲酰胺；

3)平板电极填充：参照图3，将第一平板电极4和第二平板电极5分别接触到润滑剂3涂层和材料底面，并在电极间施加直流电压V，电压大小以介电层不被击穿为限，电场促使材料表面被激光织构所得的腔体会被合成可固化润滑剂填充，第一平板电极4和第二平板电极5间施加不同的电压V使结构内获得不同填充深度的未固化的润滑剂3；

4)激光扫描固化润滑剂：参照图4，去除材料表面多余润滑剂3，只在表面结构内部存留润滑剂3，然后根据润滑剂3中光固化剂的性质采用355nm波长的激光光束进行表面选择性固化，调整工作距离Fd形成大扫描光斑并同时调整固化时扫描速度S控制紫外光固化时间，通过有选择的固化，只有被激光扫描的表面结构内润滑剂3才初步变化为固态润滑剂6，扫描润滑剂固化后的激光织构表面置于丙酮、乙醇和二甲基甲酰胺的体积比为1:1:1的混合溶液中，超声波振动的辅助下，将未固化的残留在织构结构内的固化剂3和软质材料微粒去除；

5)加热促进润滑剂固化：参照图5，将上制备好材料表面至于70～85℃烘箱中加热30～55分钟，进一步促进固态润滑剂的固化。

下面结合具体实施例对本发明做详细描述。

一种基于激光织构的自润滑减磨复合结构表面制备方法，包括下列步骤：

1)制备激光织构表面结构：将50mmx50mmx2mm高速钢表面去油并进行超声清洗，采用Nd:VAN皮秒脉冲激光通过激光扫描振镜加工***对高速钢表面进行织构化处理，形成微槽宽50μm、深度10μm和槽间距25μm的织构表面结构，皮秒脉冲激光基本参数为：激光波长λ为1064nm或532nm，脉冲频率f为1～100KHz，脉冲宽度τ为10ps；

2)在表面结构涂润滑剂，具体为：

2.1)将5微米级的软质磁性磨料MoS2粉用无水乙醇洗涤，然后加入硅烷类偶联剂KH-570，以10:1的质量比均匀混合后置入已驱氧的瓶中，通氮气、抽真空直到将乙醇除净，干燥备用；

2.2)将环氧树脂和丙烯酸化合物以2.5:1的体积比在80℃下混合，并加入2.5wt％二甲基苯苄胺和4wt％对二苯酚，待上述反应物冷却至室温后加入5wt％光引发剂三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦和5wt％热引发剂二甲基甲酰胺，制备出光敏树脂；

2.4)未固化粉末润滑剂被均匀涂在激光织构表面结构上，润滑剂涂层厚度为织构结构深度的1倍；

3)平板电极填充：将两个平板电极分别接触到润滑涂层和材料底面，并在电极间施加直流电压，电压大小以介电层不被击穿为限，电场促使材料表面被激光织构所得的腔体会被合成可固化润滑剂填充，平板电极间施加不同的电压使结构内获得不同填充深度的润滑剂，本实施例在电极间施加100V的直流电压，然后去过表面多余的润滑剂；

4)激光扫描固化润滑剂：去除材料表面多余润滑剂，只在表面结构内部存留润滑剂，然后根据润滑剂中固化剂的比例采用不同波长的激光光束进行表面选择性固化，本实施例采用65mW紫外激光以2mm的光斑直径、0.5mm/s的速度扫描需要固化的润滑剂，扫描固化后的激光织构表面置于丙酮、乙醇和二甲基甲酰胺的体积比为1:1:1的混合溶液中，超声波振动的辅助下，将未固化的残留在织构结构内的固化剂和软质磁性材料微粒去除；

5)加热促进润滑剂固化：将上述制备好材料表面至于70℃烘箱中加热30分钟，进一步促进固态润滑剂的固化。

Claims (1)

1.一种基于激光织构的自润滑减磨复合结构表面制备方法，其特征与，包括下列步骤：

1)制备激光织构表面结构：采用Nd:VAN皮秒脉冲激光在参与摩擦的材料表面上进行织构化处理，烧蚀或诱导出具有微米或纳米级的人工规律的表面结构，皮秒脉冲激光基本参数为：激光波长λ为1064nm或532nm，脉冲频率f为1～100KHz，脉冲宽度τ为10ps；

2)在表面结构涂润滑剂，具体为：

2.1)将1～10微米级的软质磁性磨料用无水乙醇洗涤，然后加入硅烷类偶联剂KH-570，以12～10:1的质量比均匀混合后置入已驱氧的瓶中，通氮气、抽真空直到将乙醇除净，干燥备用；

2.2)将环氧树脂和丙烯酸化合物以2～3.2:1的体积比在75～85℃下混合，并加入2～3wt％二甲基苯苄胺和4～5wt％对二苯酚，待上述反应物冷却至室温后加入4～7wt％光引发剂和2～6wt％热引发剂，制备出光敏树脂；

2.3)将制备好的质磁性磨料与光敏树脂按85:15～80:20的质量比混合均匀，获得未固化粉末润滑剂；

2.4)未固化粉末润滑剂被均匀涂在激光织构表面结构上，润滑剂涂层厚度为织构结构深度的1～1.2倍；

所述的软质磁性磨料选用MoS2,光引发剂选用三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，热引发剂选用二甲基甲酰胺；

3)平板电极填充：将两个平板电极分别接触到润滑涂层和材料底面，并在电极间施加直流电压，电压大小以介电层不被击穿为限，电场促使材料表面被激光织构所得的腔体会被合成可固化润滑剂填充，平板电极间施加不同的电压使结构内获得不同填充深度的润滑剂；

4)激光扫描固化润滑剂：去除材料表面多余润滑剂，只在表面结构内部存留润滑剂，然后根据润滑剂中固化剂的比例采用不同波长的激光光束进行表面选择性固化，当固化剂为紫外固化剂时采用355nm激光，热辐射固化剂时采用1064nm激光，通过有选择的固化，只有被激光扫描的表面结构内润滑剂才初步变化为固态润滑剂，扫描固化后的激光织构表面置于丙酮、乙醇和二甲基甲酰胺的体积比为1:1:1的混合溶液中，超声波振动的辅助下，将未固化的残留在织构结构内的固化剂和软质磁性材料微粒去除；

5)加热促进润滑剂固化：将上述制备好材料表面至于70～85℃烘箱中加热30～55分钟，进一步促进固态润滑剂的固化。