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CN113403122B - 一种在液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统 - Google Patents

一种在液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统，所述液晶润滑剂为联苯类化合物或二苯甲酯类化合物与苯基联苯乙炔类化合物的混合液晶润滑剂，能有效降低氮化硅/聚酰亚胺配副运动时摩擦副间的摩擦，实现摩擦系数至0.001量级，发生超滑现象。

Description

一种在液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统
技术领域
本发明涉及润滑材料技术领域，具体是一种液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统。
背景技术
摩擦是人们日常生活和工业生产中不可避免的一种现象，在摩擦发生的同时，往往伴随着磨损。摩擦和磨损造成的能源浪费约占全球一次性能源30％左右，每年因此造成的损失大约占各国GDP的2～7％。采用先进的润滑技术是解决该问题的有效途径。超滑是一种摩擦能耗与磨损率有望降低几个数量级的变革性技术，由于其超低摩擦系数与近零磨损率的优异特性，将为未来工业进步与社会发展提供重要的支撑。
氮化硅(Si3N4)是一种无机物，它是原子晶体，是一种重要的结构陶瓷材料，具有高强度、耐高温，硬度大，综合力学性能好，耐热震、高温抗氧化、自润滑性、耐磨损、耐蚀等特征，广泛用于机械工业领域，制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件；在化学工业领域，用作耐磨、耐蚀部件，如球阀、泵体、燃烧汽化器、过滤器等；在冶金工业领域，由于氮化硅陶瓷耐高温，摩擦系数小，具有自润滑性，且对多数金属、合金溶液稳定，可用于制作金属材料加工的模具，如拨菅芯棒、挤压、拨丝模具，轧辊、传送辊、发热体夹具、热偶套营、金属热处理支承件、坩埚，铝液导营、铝包内衬等。同时，作为陶瓷材料，在电子、军事和核工业方面也有广泛应用。由于氮化硅具有一般金属材料难以比拟的耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化性、抗热冲击及低比重等特点，可以承受金属或高分子材料难以胜任的严酷工作环境，已成为继金属材料、高分子材料之后支撑21世纪支柱产业的关键基础材料，并成为最为活跃的研究对象之一，被认为是高温结构陶瓷中最有应用潜力的候选材料。
尽管如此，氮化硅直接用作自润滑耐磨材料依然存在摩擦过大，摩擦系数偏高的问题，能否实现氮化硅材料运行系统的超滑技术，依然具有重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统，所述超滑系统以液晶作为润滑剂用于氮化硅和聚酰亚胺材料配副的运动系统中，能有效降低摩擦副间的摩擦，实现摩擦系数至0.001量级，发生超滑现象。
本发明提供的技术方案：一种液晶润滑剂，该液晶润滑剂是一种混合液晶，选自联苯类化合物或二苯甲酯类化合物与苯基联苯乙炔类化合物的组合。
所述液晶润滑剂中的联苯类化合物，选自下式所示的联苯类化合物：
Figure BDA0003137939920000021
进一步的，所述R1，R2，R3基团选自的烷基，烯基，炔基，烷氧基包括直链或支链的烷基，烯基，炔基，烷氧基，H，F，Cl，CF3，OCF3，CN中的任意一种或几种组合。
所述液晶润滑剂中的二苯甲酯类化合物，选自下式所示的二苯甲酯类化合物：
Figure BDA0003137939920000031
进一步的，所述R4，R5，R6，R7，R8，R9基团选自的烷基，烯基，炔基，烷氧基包括直链或支链的烷基，烯基，炔基，烷氧基，H，F，Cl，CF3，OCF3，CN中的任意一种或几种组合。
所述液晶润滑剂中的苯基联苯乙炔类化合物，选自下式所示的苯基联苯乙炔类化合物：
Figure BDA0003137939920000032
进一步的，所述Ra，Rb，Rc，Rd基团选自的烷基，烯基，炔基，烷氧基包括直链或支链的烷基，烯基，炔基，烷氧基，H，F，Cl，CF3，OCF3，CN中的任意一种或几种组合。
进一步的，所述R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，Ra，Rb，Rc，Rd基团选自的烷基，烯基，炔基，烷氧基中碳原子的数量为C1-C7。
所述液晶润滑剂作为氮化硅和聚酰亚胺材料配副下的润滑剂的用途。
进一步的，所述液晶润滑剂作为混合液晶的成分的润滑剂使用，所述联苯类化合物或二苯甲酯类化合物占混合液晶质量百分比为50％-90％，余量为苯基联苯乙炔类化合物。
一种在液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统，所述超滑系统是氮化硅/聚酰亚胺作为摩擦副，所述的混合液晶润滑剂作为润滑剂。
进一步的，所述聚酰亚胺材料为6FDA(4,4'-(hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride)-ODA(4,4'-oxybisbenzenamine)型聚酰亚胺材料。
本发明将提供的一系列的氮化硅和聚酰亚胺配副下液晶作为润滑剂的超滑系统，该系统以联苯类化合物或二苯甲酯类化合物与苯基联苯乙炔类化合物所配制的混合液晶作为润滑剂，氮化硅和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副，该运动系统的摩擦系数低至0.001量级，实现稳定的超滑现象。
附图说明
图1是本发明的混合液晶润滑剂中联苯类化合物的分子结构式；
图2是本发明的混合液晶润滑剂中二苯甲酯类化合物的分子结构式；
图3是本发明的混合液晶润滑剂中苯基联苯乙炔类类化合物的分子结构式；
图4是本发明使用的6FDA-ODA型聚酰亚胺材料的分子结构式；
图5是本发明使用的5CB液晶分子结构式；
图6是本发明使用的3UTPP2液晶分子结构式；
图7是本发明的5CB-3UTPP2混合液晶润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下摩擦系数随时间变化图；
图8是本发明使用的3PEP5液晶分子结构式；
图9是本发明使用的3UTPP4液晶分子结构式；
图10是本发明的3PEP5-3UTPP4混合液晶润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下摩擦系数随时间变化图；
图11是本发明的5CB-3UTPP4混合液晶润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下摩擦系数随时间变化图，a)5CB(75％)+3UTPP4(25％),b)5C(80％)+3UTPP4(20％)；
图12是本发明的无润滑剂时Si3N4/6FDA-ODA配副下摩擦系数随时间变化图；
图13是本发明的联苯类分子液晶5CB润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下摩擦系数随时间变化图；
图14是本发明的二苯甲酯类分子液晶3PEP5润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下摩擦系数随时间变化图；
图15是本发明的2UTPP3的液晶分子结构式；
图16是本发明的4UTPP3的液晶分子结构式。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以下实施例中均利用UTM-3型微摩擦试验机(德国布鲁克公司)进行微摩擦试验。试验时，使用上海材料研究所生产的氮化硅球(直径为4.45mm)作为静试件，6FDA-ODA型聚酰亚胺材料贴附于固定盘上作为旋转运动的盘试件，以50rpm的转速旋转，环形摩擦路径的半径为8.5mm。试验载荷通过球试件的中心线垂直施加，以点-面接触模式进行试验。载荷条件为5N，在氮化硅球和6FDA-ODA型聚酰亚胺材料之间滴加0.1-0.2ml的液晶或不添加液晶作为润滑剂，试验在室温下进行。试验过程中，摩擦系数(coefficient of friction，COF)由电脑自动记录，然后软件计算得到平均摩擦系数。
实施例1
以如图5所示的5CB单分子液晶(75wt.％)和如图6所示的3UTPP2单分子液晶(25wt.％)配制的混合液晶润滑剂，作为Si3N4/6FDA-ODA配副下的运动系统的润滑剂，进行1h试验，其摩擦系数随时间变化图如图7所示。该过程的平均摩擦系数为0.006635，该运动体系处于稳定的超滑状态。
实施例2
以如图8所示的3PEP5单分子液晶(90wt.％)和如图9所示的3UTPP4单分子液晶(10wt.％)配制的混合液晶润滑剂，作为Si3N4/6FDA-ODA配副下的运动系统的润滑剂，在同一个摩擦副上进行3个周期各1h的试验，其摩擦系数随时间变化图如图10所示，其中图中5N-(3PEP5-3UTPP4)-(6FDA-ODA)/SI3N4-(1)，表示的是在5N载荷下，3PEP5-3UTPP4混合液晶润滑，Si3N4/6FDA-ODA配副下，第一个测试周期中摩擦系数随时间变化图，5N-(3PEP5-3UTPP4)-(6FDA-ODA)/SI3N4-(2)，5N-(3PEP5-3UTPP4)-(6FDA-ODA)/SI3N4-(3)，同理类推。
该过程的平均摩擦系数记录如表1。该体系在测试过程中处于超滑状态。
表1 3PEP5-3UTPP4液晶润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下每个测试周期的平均摩擦系数
Figure BDA0003137939920000071
实施例3
以如图5所示的5CB单分子液晶(75wt.％)和如图9所示的3UTPP4单分子液晶(25wt.％)配制的混合液晶润滑剂，作为Si3N4/6FDA-ODA配副下的运动系统的润滑剂，在同一个摩擦副上进行3个周期各1h的试验，其摩擦系数随时间变化图如图11-a所示，图中曲线说明如实施例2。根据图11-a可以观察到，在第一个测试周期，该运动体系在1000s后就进入了稳定的超滑状态。同样第二和第三测试周期中该运动体系一直处于稳定的超滑状态。
该过程的平均摩擦系数记录如表2。
表2 5CB-3UTPP4液晶(5CB(75wt.％)+3UTPP4(25wt.％))润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下每个测试周期的平均摩擦系数
Figure BDA0003137939920000072
Figure BDA0003137939920000081
实施例4
以如图5所示的5CB单分子液晶(80wt.％)和如图9所示的3UTPP4单分子液晶(20wt.％)配制的混合液晶润滑剂，作为Si3N4/6FDA-ODA配副下的运动系统的润滑剂，在同一个摩擦副上进行4个周期各1h的试验，其摩擦系数随时间变化图如图11-b所示，图中曲线说明如实施例2。该过程的平均摩擦系数记录如表3。根据图11-b和表3可以观察到，在第一个测试周期，该运动体系在1650s后就进入了稳定的超滑状态，尽管该周期的平均摩擦系数稍超过0.001数量级。第二，第三及第四测试周期中该运动体系一直处于稳定的超滑状态。
表3 5CB-3UTPP4液晶(5CB(80wt.％)+3UTPP4(20wt.％))润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下每个测试周期的平均摩擦系数
Figure BDA0003137939920000082
对比例1
无液晶润滑下，Si3N4/6FDA-ODA配副下，进行1h试验，其摩擦系数随时间变化图如图12所示，该过程的摩擦系数一直较大，平均摩擦系数远大于0.001数量级，该运动体系不在超滑状态。
对比例2
以单分子液晶5CB(如图5所示)作为Si3N4/6FDA-ODA配副下的运动系统的润滑剂，在同一个摩擦副上进行3个周期各1h的试验，其摩擦系数随时间变化图如图13所示,图中曲线说明如实施例2。该过程的平均摩擦系数记录如表4。如图13和表4所示，该运动体系不在超滑状态。
表4液晶5CB润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下每个测试周期的平均摩擦系数
Figure BDA0003137939920000091
对比例3
以单分子液晶3PEP5(如图8所示)作为Si3N4/6FDA-ODA配副下的运动系统的润滑剂，在同一个摩擦副上进行3个周期各1h的试验，其摩擦系数随时间变化图如图14所示，图中曲线说明如实施例2。该过程的平均摩擦系数记录如表5。如图14和表5所示，该运动体系不在超滑状态。
表5液晶3PEP5润滑Si3N4/6FDA-ODA配副下每个测试周期的平均摩擦系数
Figure BDA0003137939920000092
实验结果表明：无液晶润滑下，Si3N4/6FDA-ODA配副时，摩擦系数未达到0.001数量级，未实现超滑现象；采用单分子液晶作为润滑剂，Si3N4/6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副时，也均未实现0.001数量级的超滑行为，而以本发明提供的混合液晶作为润滑剂，Si3N4/6FDA-ODA型聚酰亚胺材料配副时，能有效降低摩擦副间的摩擦，稳定运动状态的摩擦系数都低至0.001量级，实现体系的超滑行为。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种在液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统，其特征在于：所述超滑系统是氮化硅/聚酰亚胺作为摩擦副，混合液晶润滑剂作为润滑剂，所述混合液晶润滑剂选自联苯类化合物与苯基联苯乙炔类化合物的组合或二苯甲酯类化合物与苯基联苯乙炔类化合物的组合，所述混合液晶润滑剂中联苯类化合物或二苯甲酯类化合物占混合液晶质量百分比为50% - 90%，余量为苯基联苯乙炔类化合物，
所述联苯类化合物选自下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，R1，R2，R3基团均选自烷基，烯基，炔基，烷氧基，H， F，Cl，CF3，OCF3，CN中的任意一种或几种组合；
所述二苯甲酯类化合物选自下式：
Figure 866345DEST_PATH_IMAGE002
其中，R4，R5，R6，R7，R8，R9基团均选自烷基，烯基，炔基，烷氧基，H， F，Cl，CF3，OCF3，CN中的任意一种或几种组合；
所述苯基联苯乙炔类化合物选自下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，Ra，Rb，Rc，Rd基团均选自烷基，烯基，炔基，烷氧基，H， F，Cl，CF3，OCF3，CN中的任意一种或几种组合，
所述聚酰亚胺为6FDA-ODA型聚酰亚胺材料。
2.根据权利要求1所述的在液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统，其特征在于，所述R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，Ra，Rb，Rc，Rd基团选自的烷基，烯基，炔基，烷氧基包括直链或支链的烷基，直链或支链的烯基，直链或支链的炔基，直链或支链的烷氧基。
3.根据权利要求2所述的在液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统，其特征在于，所述R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，Ra，Rb，Rc，Rd基团选自的烷基，烯基，炔基，烷氧基中碳原子的数量为C1 - C7。
4.根据权利要求1所述的在液晶润滑下氮化硅/聚酰亚胺配副的超滑系统，其特征在于：所述超滑系统的摩擦系数至0.001 量级。
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