一种超低摩擦系统及其应用

本发明涉及润滑材料，具体是一种超低摩擦系统及其应用。

背景技术：

1、摩擦是发生在相互运动表面间的一种物理现象，微观的摩擦表面是由许多微凸峰和凹谷组成，在接触运动过程中物体表面会发生损伤，即磨损。磨损会加速机械部件的损伤，缩短使用寿命。良好的润滑是降低摩擦、减小磨损的一种重要的手段。全球大约30％的能源损耗与摩擦有关，因此通过有效的润滑手段来减少机械部件之间的摩擦和磨损非常重要。新型润滑系统的设计和开发，一直都是学术界和工业界共同关注的热点问题。作为摩擦学的一个崭新的领域，超低摩擦行为逐渐进入了人们的视野，而超低摩擦系统的设计和构建尤为引起人们的重视。

2、超低摩擦是指摩擦系数达到0.001量级或更小的摩擦行为。hirano等首次提出了这种超低摩擦现象并通过理论推导计算得到：两个完全干净的原子级平整的晶面之间发生非公度接触时可能出现摩擦力为零的现象。超低摩擦的产生意味着摩擦带来的损耗将大大降低，但绝对的超低摩擦只是一种理想状态，只能逐步逼近这种理想状态。超低摩擦通常可以分为两大类，即固体超低摩擦和液体超低摩擦。固体超低摩擦是以粉末、薄膜或固体复合材料等固体材料为润滑介质，使两个相对运动表面的润滑状态处于超低摩擦。目前能够实现固体超低摩擦的材料大部分是具有层状或片状结构的二维材料，如某些单质、硫化物、氮化物、氟化物以及部分硒化物等。这种结构的固体材料层间相互作用力非常弱且能实现非公度接触，为实现固体超低摩擦提供了必要条件。现阶段关于二维材料的润滑机理主要包括表面非公度接触、弱相互作用以及库仑斥力。相比固体超低摩擦，液体超低摩擦受到的限制要小很多，并且可以在宏观条件下实现超低摩擦。

3、聚酰亚胺(polyimide，pi)是一类含有酰亚胺键的有机高分子聚合物，通常由二胺和二酐聚合而成。聚酰亚胺材料的分子主链的芳杂环结构十分稳定，具备优越的耐热性，在高温、高压或高速运转等极端条件下仍具有优异的减摩耐磨性能，是迄今高分子聚合物中热稳定性最好的材料之一。因优良的摩擦学性能，常被用作自润滑材料。相比干摩擦，水润滑和油润滑通常能使聚酰亚胺获得更低的摩擦系数和磨损率。鉴于聚酰亚胺的优异特性，在基础工业领域，还常常用来制造轴承，如作为轴承主体材料以混合摩擦副形式，防止运动机构的咬合，以期实现轴承的高精密、高性能、低噪声及长寿命等特点。以聚酰亚胺为摩擦元件的复合轴承，其配副材料可以有多种选择如金属材料或陶瓷材料等。

4、gcr15钢也是一种非常典型的轴承材料，它是指高碳铬轴承钢，其主要成分是碳、铬、锰、硅和钨等多种元素，是一种综合性能良好的轴承钢。淬火和回火后的gcr15钢硬度高而均匀，耐磨性、抗接触疲劳强度高，热加工性好，是一种高性能的轴承材料。gcr15钢广泛用于制造模具、精密量具以及其他要求高耐磨性、高弹性极限和高接触疲劳强度的机械零件，也常被用于制造内燃机、电机车、机床、拖拉机、轧钢设备、钻探机、铁道车辆以及矿山机械等高速或/及重载的设备的传动轴上的钢球、滚子和轴套等。

5、混合陶瓷轴承是工程陶瓷在工业领域广泛应用的典型范例，受到很多国家的高度重视。混合陶瓷轴承中摩擦产生的热量较低，特别是在高速时，有助于延长轴承使用寿命和再添加润滑介质间隔，可以极大降低轴承检修带来的停工损失及维护成本增加。同时，陶瓷的弹性变形小，能保障陶瓷混合轴承的机床的良好运转精度。氮化硅、碳化硅或二氧化锆都是常见的陶瓷轴承材料。氮化硅是正八面体结构，为原子晶体：两个顶是si，四个n是八面体的中间平面的4个点，然后以这四个n产生的平面的中心，就是第三个si，且每个si都连着四个n，每个n都连着3个硅，n-n之间没有连接。氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，硬度大，具有润滑性，耐磨损，抗氧化，高低温性能稳定，常用于制造轴承。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-sic和立方体的β-sic(称立方碳化硅)。碳化硅陶瓷硬度高，具有优良的高温强度、耐磨损、耐化学腐蚀和抗热震性，作为高温耐磨结构材料已获得日益广泛的应用，如用作各种机械密封件和高温结构件。而且作为材料而言，碳化硅的柔性比氮化硅好，而氮化硅耐磨性更好。二氧化锆有三种晶型：低于1373k温度时为单斜晶型，1373～2173k温度范围内为四方晶型，高于2173k温度时为立方晶型。它的化学性质不活泼，具有高熔点、高电阻率、高折射率和低热膨胀系数的性质，使它成为重要的耐高温耐腐蚀材料。

6、在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力称为库仑力，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，库仑力就越小，化合物的熔点就越低。如果离子化合物的阴阳离子体积很大，结构就会变得松散，离子间的作用力将较低，以至于熔点接近室温。尽管如此，离子液体依然具有良好的导电性能。目前在摩擦学领域，离子液体作为润滑介质也有较为广泛的研究。甚至，离子液体作为润滑剂组分在多元醇水溶液体系中发生水合离子化作用，结合羟基化氮化硼纳米片表面抛光及自修复作用，实现了高载荷及高转速时点-点接触形式下钢/钢界面间的宏观液体超低摩擦行为。

7、近年来，为了实现减少温室气体排放、改善全球生态环境，世界各国将大力促进新能源汽车产业发展，电动汽车是其中的一个重要发展主体。电动汽车最关键的部件是电机，电机轴承是电机的重要零部件。随着运行工况的变化，轴承的稳定性、持久性将是电动汽车必须解决的一个重大问题，其中的电蚀现象也是电机轴承必须关注的问题。利用导电润滑介质来解决轴承电蚀问题，具有设计简单，优化改动小，成本低且能高效降低轴电压等特征。

8、尽管聚酰亚胺及gcr15钢、氮化硅、碳化硅或二氧化锆都广泛用于机械领域，但目前未发现离子液体单独作为润滑剂情况下实现超低摩擦现象及技术应用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供一种超低摩擦系统及其应用，实现摩擦系数至0.001量级，发生超低摩擦现象。

2、本发明提供的技术方案：一种超低摩擦系统，所述超低摩擦系统是以室温离子液体为润滑剂，gcr15钢/聚酰亚胺、氮化硅/聚酰亚胺、碳化硅/聚酰亚胺或二氧化锆/聚酰亚胺作为摩擦副。

3、进一步的，所述室温离子液体选自室温(20℃)时为液体状态的离子液体。

4、进一步的，所述聚酰亚胺为pmda(pyromellitic dianhydride)-oda(4,4’-oxybisbenzenamine)型聚酰亚胺。

5、室温离子液体在超低摩擦系统中的应用，以室温离子液体为润滑剂，gcr15钢/聚酰亚胺、氮化硅/聚酰亚胺、碳化硅/聚酰亚胺或二氧化锆/聚酰亚胺作为摩擦副，形成超低摩擦系统。

6、进一步的，所述室温离子液体选自1-己基-3-甲基咪唑氯盐、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中任意一种。

7、进一步的，以室温离子液体为机械部件的润滑剂，聚酰亚胺分别与gcr15钢、氮化硅、碳化硅或二氧化锆的任意一种配副成为机械部件的材料。其中室温离子液体作为润滑介质，摩擦体系发生超低摩擦行为。

8、离子液体是指全部由离子组成的液体。在室温或室温附近温度呈液态的自由离子构成的物质，称为室温离子液体。现有技术中离子液体发生超滑现象是由于作为润滑剂组分的离子液体在多元醇水溶液体系中发生水合离子化作用，并结合纳米材料的表面抛光及自修复作用发生的行为。而本发明采用单纯的室温离子液体作为润滑剂，不需要水，且当gcr15钢/聚酰亚胺、氮化硅/聚酰亚胺、碳化硅/聚酰亚胺或二氧化锆/聚酰亚胺作为摩擦副时，实现的超低摩擦行为，避免了因水分导致的腐蚀影响机械部件的使用寿命等问题。同时，离子液体具有良好的导电性能及摩擦学性能，具有作为电机轴承中的导电润滑介质的潜质。