本發(fā)明涉及一種快速長(zhǎng)效固液復(fù)合超滑橡膠表面層及其制備方法，尤其涉及一種維納織構(gòu)+碳薄膜+二維插層材料/潤(rùn)滑油復(fù)配+浸油處理的固液復(fù)合超滑的橡膠表面制備方法，用于動(dòng)密封件制備，屬于固體潤(rùn)滑材料和摩擦學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中存在大量的密封裝置，用以防止工作介質(zhì)泄漏及外界灰塵和異物侵入。密封介質(zhì)一旦泄漏，輕則造成物料流失、設(shè)備損壞，重則可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸。大多數(shù)動(dòng)密封泄漏事故均與密封件的密封失效有關(guān)。橡膠具有良好的彈性恢復(fù)性、抗壓性等優(yōu)異性能，是最常用的密封材料。然而，橡膠動(dòng)密封件裝入密封槽后受到高壓介質(zhì)擠壓變形，并在周期性應(yīng)力作用下與鋼質(zhì)槽壁和密封桿對(duì)磨的摩擦系數(shù)極高（μ＞1），高摩擦產(chǎn)生的摩擦熱極易導(dǎo)致橡膠密封件軟化而快速磨損失效，使得高壓密封介質(zhì)從受損部位滲漏，影響設(shè)備的安全可靠服役。因此，解決橡膠密封件磨損失效問(wèn)題必須從降低摩擦入手。

2、碳薄膜具有與鋼對(duì)偶的低粘著特性、沉積溫度低（沉積溫度≤100℃，不會(huì)對(duì)丁腈橡膠基體產(chǎn)生致命損傷）、組分及機(jī)械強(qiáng)度可控、結(jié)構(gòu)多變（如多微納結(jié)構(gòu)、多元素?fù)诫s等）、摩擦磨損低等優(yōu)異性能，因而是實(shí)現(xiàn)橡膠表面低摩擦的理想涂層。然而，在摩擦的初期（達(dá)到穩(wěn)定低摩擦之前），碳薄膜均會(huì)經(jīng)歷一段時(shí)間的磨合期，在此期間其摩擦系數(shù)較高（≥0.1甚至更高），從而加劇薄膜異常磨損。同時(shí)，如果磨合期時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑效率下降、資源時(shí)間浪費(fèi)，甚至致使整個(gè)密封系統(tǒng)失效。此外，盡管碳薄膜表面二維材料能夠進(jìn)一步降低其摩擦系數(shù)甚至實(shí)現(xiàn)超滑，但二維材料或二維插層材料很難在碳薄膜表面留存，或者說(shuō)其磨損后難以進(jìn)行自補(bǔ)償。因此，其耐久性較差，難以滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備高可靠長(zhǎng)壽命服役要求。綜上，如何制備快速長(zhǎng)效超滑橡膠表面是解決未來(lái)橡膠密封件磨損失效的重中之重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種快速長(zhǎng)效固液復(fù)合超滑橡膠表面層及其制備方法，是預(yù)先對(duì)橡膠基底進(jìn)行維納織構(gòu)，然后利用氣相沉積技術(shù)在織構(gòu)橡膠表面制備碳薄膜，再對(duì)薄膜進(jìn)行親油處理；同時(shí)，將mxene基二維材料與其他二維材料進(jìn)行插層處理制備二維插層材料，并將其均勻分散于潤(rùn)滑油中，最后將親油碳薄膜進(jìn)行浸油處理。首先，分散于潤(rùn)滑油中的二維插層材料在法向載荷作用下，其摩擦接觸界面會(huì)迅速形成異質(zhì)結(jié)配副，從而有效縮短摩擦磨合時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速超滑的目的；其次，橡膠表面維納織構(gòu)孔洞可作為潤(rùn)滑油貯存器，摩擦過(guò)程中受摩擦接觸應(yīng)力反復(fù)擠壓致使維納孔洞內(nèi)潤(rùn)滑油液釋放，為摩擦界面源源不斷地提供潤(rùn)滑油液，從而實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑的長(zhǎng)效性；再次，碳薄膜表面親油處理后，潤(rùn)滑油液可快速鋪展于其表面形成均勻潤(rùn)滑油膜，確保潤(rùn)滑的持久性；最后，潤(rùn)滑油可與二維插層材料協(xié)同作用，而二維插層材料可利用潤(rùn)滑油的自補(bǔ)償效應(yīng)實(shí)現(xiàn)界面快速長(zhǎng)效超滑特性。

2、一、快速長(zhǎng)效固液復(fù)合超滑橡膠表面及其制備方法

3、本發(fā)明快速長(zhǎng)效固液復(fù)合超滑橡膠表面，是預(yù)先對(duì)橡膠基底進(jìn)行維納織構(gòu)，然后利用氣相沉積技術(shù)在織構(gòu)橡膠表面制備碳薄膜，再對(duì)薄膜進(jìn)行親油處理；同時(shí)，將mxene基二維材料與其他二維材料進(jìn)行插層處理制備二維插層材料，并將其均勻分散于潤(rùn)滑油中，最后將親油碳薄膜進(jìn)行浸油處理而得。

4、具體制備步驟如下：

5、1、橡膠基底清洗：將橡膠板切割成20×20mm2的橡膠片，浸泡在50~60℃肥皂水溶液中超聲清洗30~45min，以除去橡膠表面的油脂和污垢；然后取出并浸泡在90~95℃蒸餾水超聲清洗20~30min，以除去可能殘留的肥皂水溶液；最后用干燥氮?dú)獯蹈珊蠓胖糜诟稍锵渲?00~120℃下再干燥20~30min，以蒸發(fā)掉橡膠表面殘留水分；上述過(guò)程反復(fù)進(jìn)行4~5次；

6、所述橡膠基底為丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、硅橡膠及三元乙丙橡膠中的一種，橡膠表面粗糙度≤200nm，橡膠厚度為2~4mm。

7、2、橡膠表面維納織構(gòu)：利用激光織構(gòu)技術(shù)，對(duì)橡膠表面進(jìn)行維納織構(gòu)；激光入射角度為60~75度，織構(gòu)納米孔洞結(jié)構(gòu)為錐形結(jié)構(gòu)，織構(gòu)面積占橡膠總表面積的5~20%。

8、3、碳薄膜制備：打開石墨靶濺射電源，調(diào)整靶基距為8~12cm，靶電流為3a，氬氣流量為45~60sccm，ar/ch4流量比為1.5:1，基底偏壓為-700v，氣壓為0.5~0.8pa，占空比為40~45%，頻率為60~70khz，沉積時(shí)間為120~150min；

9、制備的非晶碳薄膜為含氫非晶碳薄膜，薄膜厚度為500nm~1.0μm。

10、4、對(duì)碳薄膜進(jìn)行親油處理：首先將碳薄膜進(jìn)行弱酸刻蝕，然后使用化學(xué)改性手段對(duì)碳薄膜進(jìn)行親油改性；

11、所述碳薄膜表面親油處理包括如下步驟：

12、（1）蝕刻dlc涂層：將上述制備的非晶碳薄膜樣品浸入10-15%的鹽酸（hcl）溶液，浸漬蝕刻時(shí)間設(shè)定為10-15分鐘。完成蝕刻后，立即使用不少于500?ml的蒸餾水對(duì)非晶碳薄膜表面進(jìn)行徹底沖洗，沖洗時(shí)間不少于3分鐘；

13、（2）化學(xué)改性：將1-十二烷硫醇和肉豆蔻酸按質(zhì)量比1:1進(jìn)行混合，并將其溶于總體積為100?ml的乙醇中。將刻蝕后的碳薄膜浸入該溶液中1-2小時(shí)確保化學(xué)改性劑能均勻作用于碳薄膜表面；

14、（3）干燥處理：將化學(xué)改性后的碳薄膜放置在干凈的環(huán)境中，在室溫下自然干燥1小時(shí)。

15、5、mxene基二維材料與其他二維材料插層處理：①將mxene粉末干燥后均勻分布于氣相插層反應(yīng)室樣品臺(tái)上，抽真空至10-2至10-3torr后通入氫氣；②將反應(yīng)室中mxene樣品加熱至300~400℃，保溫1~3h，確保氫氣分子充分?jǐn)U散到mxene二維片層層間；③關(guān)閉氫氣，使反應(yīng)室自然冷卻至室溫取出；④將其與其他二維材料分散在有機(jī)溶劑中，超聲分散均勻并干燥后即可制得二維插層材料；

16、所述mxene基二維材料為ti基、v基、mo基mxene二維材料中的一種或幾種；所述其他二維材料為石墨烯基、二硫化鉬、氮化硼中的一種或幾種；所述mxene基二維材料與其他二維材料質(zhì)量比為1-1.5:1，所述有機(jī)溶劑為無(wú)水乙醇、丙酮中的一種。

17、6、二維插層材料分散于潤(rùn)滑油：將步驟5制備的二維插層材料均勻分散于潤(rùn)滑油中，形成復(fù)配油液；然后將步驟4制備的親油碳薄膜浸漬于復(fù)配油液中，最后將表面殘留油液擦拭干凈可得到本發(fā)明所述快速長(zhǎng)效超滑橡膠表面層。

18、所述二維插層材料分散于潤(rùn)滑油：將上述二維插層材料添加至潤(rùn)滑油中，利用超聲波設(shè)備超聲處理1~1.5小時(shí)，確保其均勻分散；所述潤(rùn)滑油為動(dòng)植物潤(rùn)滑油、石油潤(rùn)滑油及合成潤(rùn)滑油中的一種或幾種；

19、所述浸油處理：將親油碳薄膜浸漬于二維插層材料/潤(rùn)滑油復(fù)配液中，浸漬時(shí)間為20~40分鐘，浸漬結(jié)束后將表面殘留油液擦拭干凈即可得到本發(fā)明的快速長(zhǎng)效固液復(fù)合超滑橡膠表面。

20、圖1?為本發(fā)明制備的快速長(zhǎng)效固液復(fù)合超滑橡膠表面橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。首先，分散于潤(rùn)滑油的二維插層材料在法向載荷作用下，其摩擦接觸界面會(huì)迅速形成異質(zhì)結(jié)配副，從而有效縮短摩擦磨合時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速目的；其次，橡膠表面維納織構(gòu)孔洞可作為潤(rùn)滑油貯存器，摩擦過(guò)程中受摩擦接觸應(yīng)力反復(fù)擠壓致使維納孔洞內(nèi)潤(rùn)滑油液釋放，為摩擦界面源源不斷地提供潤(rùn)滑油液，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑的長(zhǎng)效性；再次，碳薄膜表面親油處理后，潤(rùn)滑油液可快速鋪展于其表面形成均勻潤(rùn)滑油膜，確保潤(rùn)滑的持久性；最后，潤(rùn)滑油可與二維插層材料協(xié)同作用，而二維插層材料可利用潤(rùn)滑油的自補(bǔ)償效應(yīng)實(shí)現(xiàn)界面快速長(zhǎng)效超滑特性。本發(fā)明有效攻克了目前橡膠軟表面硬質(zhì)碳基涂層摩擦磨合期較長(zhǎng)、超滑壽命短的技術(shù)難題，且工藝過(guò)程易于控制，可操作性強(qiáng)，獲得的橡膠表面能夠快速實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效超滑特性，易于大面積工業(yè)化應(yīng)用。

21、二、本發(fā)明構(gòu)筑的橡膠表面性能測(cè)試

22、1、摩擦磨合時(shí)間

23、采用球-盤旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)本發(fā)明構(gòu)筑的橡膠表面進(jìn)行摩擦磨合時(shí)間測(cè)試，結(jié)果顯示其磨合時(shí)間為2~5分鐘。

24、2、摩擦系數(shù)

25、圖2?為本發(fā)明構(gòu)筑的快速長(zhǎng)效固液復(fù)合超滑橡膠表面摩擦系數(shù)曲線圖。采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)本發(fā)明構(gòu)筑的橡膠表面進(jìn)行摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)。摩擦條件為：球-盤旋轉(zhuǎn)模式，法向載荷20n，摩擦對(duì)偶為φ6mm?gcr15鋼球，測(cè)試環(huán)境為大氣。結(jié)果顯示：常規(guī)的純碳薄膜摩擦系數(shù)較高（＞0.3），而本發(fā)明構(gòu)筑的橡膠表面摩擦系數(shù)顯著降低（0.005~0.008）。

26、綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

27、1、摩擦過(guò)程中二維插層材料在法向載荷作用下，其摩擦接觸界面會(huì)迅速形成異質(zhì)結(jié)配副，從而有效縮短摩擦磨合時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速潤(rùn)滑。

28、2、橡膠表面維納織構(gòu)孔洞可作為潤(rùn)滑油貯存器，摩擦過(guò)程中受摩擦接觸應(yīng)力反復(fù)擠壓致使維納孔洞內(nèi)潤(rùn)滑油液釋放，為摩擦界面源源不斷地提供潤(rùn)滑油液，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑的長(zhǎng)效性；

29、3、碳薄膜表面親油處理后，潤(rùn)滑油液可快速鋪展于其表面形成均勻潤(rùn)滑油膜，確保潤(rùn)滑的持久性；

30、4、潤(rùn)滑油可與二維插層材料協(xié)同作用，而二維插層材料可利用潤(rùn)滑油的自補(bǔ)償效應(yīng)實(shí)現(xiàn)界面快速長(zhǎng)效超滑特性。

31、5、本發(fā)明有效攻克了目前橡膠軟表面硬質(zhì)碳基涂層摩擦磨合期較長(zhǎng)、超滑壽命短的技術(shù)難題，且該過(guò)程不受摩擦載荷、環(huán)境等其他外界因素影響，可以應(yīng)用于多種復(fù)雜工況。

32、6、本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單且易于控制，可操作性強(qiáng)，構(gòu)筑的橡膠表面能夠快速實(shí)現(xiàn)超滑特性，易于實(shí)現(xiàn)大面積工業(yè)化應(yīng)用。