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石墨材料具有良好的化學穩定性、耐高溫性、耐防腐性及自潤滑性，這些性能決定了其在固體潤滑復合材料領域的廣泛應用，可起到性能維護、節能降耗、提高生產效率的作用。基于石墨優異的力學性質，以及作為碳質固體潤滑材料的基本結構單元，石墨基復合潤滑材料的發展成為摩擦學領域的研究熱點。鑒于當前石墨涂料潤滑劑存在諸多不足，如石墨涂料基礎與涂層界面技術不完善、石墨涂層固體潤滑具有局限性等，本文就石墨涂料潤滑劑與固體潤滑復合涂層研究與應用的現狀、困境和趨勢進行綜合論述；同時也對石墨固體潤滑復合涂層未來功能化發展進行論述中國涂料在線coatingol.com。

1 、石墨基固體潤滑復合涂層的種類與應用領域

涂層類石墨固體潤滑復合材料是以石墨為潤滑填料的涂料干燥固化于物件表面，具有固體潤滑功能的復合材料，此類涂料國際上通常稱為石墨涂料潤滑劑，因施工工藝便捷被廣泛用于各類物件的表面潤滑。其涂料的組成體系與常規涂料大致相同，主要區別在于采用了具有潤滑功能的石墨，從而賦予涂層材料固體潤滑的功能。

1.1 鐵基石墨非晶復合涂層———激光熔覆

張曉東在304L不銹鋼表面利用激光熔覆技術制備了添加石墨的Fe基非晶復合涂層，并研究了石墨的添加對涂層的組成和性能的影響。結果表明：未添加石墨的涂層主要由α-Fe、含硼相（Fe23B6、CrB）和（Ni、Cr、Fe）物相組成，非晶相體積分數為35.9%；而加入石墨的涂層新生成了含碳相（Fe8C、CrC3），且涂層中的非晶體積分數增加至41.6%。未添加石墨的涂層結合區彌散分布著不規則顆粒相，熔覆層形貌呈稻穗狀；添加石墨后的涂層結合區組織呈胞狀樹枝晶形貌，熔覆層形貌則為分布有深灰色近球狀顆粒的針狀組織。添加石墨后的試樣熔覆層平均顯微硬度值比添加石墨前的提高了近0.5倍。Pod?chernyaeva等通過激光熔化，石墨涂層的顯微硬度比基體高2.5倍，達到（15±1）GPa。

1.2 石墨/聚醚醚酮基復合涂層———冷壓涂覆

Vail等利用石墨和聚四氟乙烯（PTFE）對聚醚醚酮（PEEK）進行混雜改性，控制PTFE和PEEK的質量比不變，通過冷壓燒結的方法在不銹鋼表面制備不同石墨質量分數的PEEK基復合涂層，研究了石墨含量對涂層力學性能和摩擦性能的影響。結果表明：隨著石墨含量的提高，PEEK基復合涂層的結晶度逐漸下降，涂層的硬度先增高后降低，摩擦因數不斷降低，磨損率先降低后上升。在石墨質量分數為4%時，摩擦因數為0.0461，磨損率最低為2.06×10-6mm3/（N·m），這與之前的研究相比，涂層的耐磨性得到大幅提高。但是過高的石墨用量會使分子鏈柔順性下降、鏈段運動受阻，涂層的耐磨性大大降低。

1.3 石墨/鎳基金屬釬涂層———釬焊涂覆

石墨在電機行業中有重要的作用，在鎳基焊料中加入適量活性金屬，并通過創新的釬涂方法制備石墨表面的釬焊層，以實現石墨與電機換向器中銅轉子更牢固的連接，使得原本與銅直接接觸的石墨電刷的磨損量大大降低。通過DSC、XRF、SEM、EDS、XRD、超聲C-掃描探傷以及電阻測試等試驗檢測釬焊層的性能，結果表明：釬料自身生成了金屬間化合物，并且釬料中的Si和Cr元素與石墨生成了碳化物，從而使得釬料與石墨之間形成了牢固的冶金結合，樣品經釬涂后不影響其作為電刷材料的導電性。

1.4 鑄造模具石墨潤滑涂層———精密鑄造

多年生產應用表明，以鈉基膨潤土和羥甲基纖維素鈉（CMC）作為稠化劑，石墨、滑石粉、石英粉并用的SPH—1型水性石墨涂料具有成本低廉、制備簡便、使用性能良好等優點，適用于油芯和拈土砂型（芯）烘模的鑄鐵件生產。油芯浸涂法生產的鑄件表面粗糙度可達到2.5~6.3μm，刷涂法鑄件表面粗糙度可達到2.5μm。隨著對鑄件表面質量要求的提高，加上涂料自身的特殊性，大多數鑄造廠家已經采用專業制造廠生產的商品涂料。

1.5 柴油機鋁活塞石墨噴涂———滑動潤滑

在柴油機鋁活塞表面噴涂石墨層能提高柴油機的可靠性。因為石墨粉本身較軟，并具有潤滑性，所以當柴油機在起動或因其他意外情況造成潤滑困難時，噴涂在活塞上的石墨層能在短時間內起到潤滑作用，使活塞安全地渡過緊急狀態；同時，噴涂石墨層的鋁活塞在運行過程中起減磨作用和對氣缸套起保護作用。通過100多小時的現車空載試驗驗證12V17柴油機鋁活塞噴涂石墨層，在潤滑和減磨方面的效果比不涂石墨層的要好，并且石墨涂層與基體金屬的結合也很好。

1.6 人造人體修復器官自潤滑涂層———石墨修復

Gott等首次將石墨涂層用于醫學，開發并改良的碳涂層不會粘合肝素，是人工瓣膜構造中最好的剛性材料，奠定了現今碳在醫學上的應用。碳的特殊相容性、不受生物解降、與骨骼相似的機械性、高耐磨和耐疲勞性等性能使其特別適合用作器械修復。在聚合物和各種形狀的金屬表面涂覆一層薄的碳保護層，可使這些材料有更廣泛的用途。

2、石墨涂料潤滑劑的技術瓶頸

2.1 石墨涂料潤滑劑基礎技術研究不完善

石墨涂料潤滑劑作為一種特種功能性涂料，沒有受到足夠的重視，尤其是石墨粉體與樹脂基料之間相容配伍性、石墨粉體對涂料流變性的影響、石墨涂料潤滑劑的加工工藝性和涂裝工藝性等基礎研究工作開展得相對滯后，石墨涂料潤滑劑技術基礎研究亟待完善。

2.2 石墨涂層界面技術研究不完善

石墨涂層與基體界面之間的相互作用直接影響涂層的附著性能，關于石墨涂層與基體界面的科學研究以及界面形成技術方面的研究開展不足。涂層應用工程中涂層附著性差是導致涂層功能失效的主要原因之一。

2.3 石墨涂層固體潤滑的摩擦學性能研究不夠深入

盡管人們對石墨涂層的固體潤滑特性給予了高度重視，但對石墨涂層的結構與摩擦學性能的關系研究不系統，尤其對涂層微觀摩擦學性能的研究比較粗略，石墨涂層固體潤滑的摩擦學研究亟待開展。通過研究涂層的摩擦學性能，可建立石墨涂層結構與固體潤滑性能之間的科學規律。

2.4 石墨涂料潤滑劑產品品種不夠齊全

從目前石墨涂料潤滑劑研究和應用現狀來看，石墨涂料產品品種比較少，主要研究集中在水性石墨涂料潤滑劑和溶劑型石墨涂料潤滑劑。水性石墨涂料潤滑劑比較成熟的國內產品為鑄造模具前驅石墨涂料潤滑劑，該涂料的市場代表為20世紀80年代成型的SPH-1水性石墨涂料潤滑劑。溶劑型石墨涂料潤滑劑主要以傳統環氧涂料為基礎添加石墨粉體，主要用于柴油機鋁活塞表面應急潤滑。粉末型石墨涂料潤滑劑主要研究工作集中在激光熔覆和冷壓涂覆方面，石墨涂料潤滑劑的其他品種研究和應用不多見。

2.5 石墨涂層固體潤滑具有局限性

石墨涂料潤滑劑在基體表面形成涂層，一方面由于界面相互作用比較弱，造成涂層附著力不強；另一方面由于涂層厚度有限（正常涂層厚度為幾十微米），造成涂層結構強度不足，加之石墨含量較高導致涂層脆性大，使得石墨涂層固體潤滑材料使用壽命不長，尤其在大載荷高頻率摩擦副中應用具有局限性。

3、石墨基固體潤滑復合涂層的功能化發展

Bonavolont等提出將透明石墨膠體懸浮液應用于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的條板上。PMMA表面良好的粘附性與剪切應力相結合，使石墨納米晶體能均勻且連續地擴散，從而形成非常均勻的石墨烯多層涂層。該制造工藝簡單并且可產生薄涂層。此類聚合物制備的涂層激發了其在應變傳感中的潛在應用。

Sahoo等用差示掃描量熱法（DSC）和X射線衍射（XRD）以及通過拉曼光譜法在石墨和PVDF之間的相互作用來研究表面的微觀結構。結果顯示：在PVDF多孔材料的情況下，在復合材料中加入少量石墨粉末不僅促進了PVDF的結晶，而且還改變了表面紋理和粗糙度，從而獲得超疏水性，使得這類復合材料在工業中有重大作用。

Natarajan等使用磨料磨損試驗臺對未涂覆的涂層SSR樣品進行了研究，并在室溫下涂覆了SS304樣品。對樣品的體積損失和磨損率相對于涂層中石墨含量的增加進行了分析。結果表明：在涂層中添加石墨可顯著減少體積損失和磨損率。石墨質量分數為8%時復合涂層具有優異的耐磨性。

Zhang等通過制備透明Al2O3、Al2O3-SiO2和SiO2溶膠涂覆天然鱗片石墨，證明Al2O3、Al2O3-SiO2和SiO2涂層改善了石墨的水潤濕性，也提高了石墨的抗氧化性，特別是在高溫（>1100℃）條件下。在石墨中加入Si可略微提高了石墨的抗氧化性，這表明在實際生產中有可能降低抗氧化劑的使用量。

Li等采用表面活性劑和酸堿催化柔性溶膠-凝膠法制備了SiO2包覆鱗片石墨作為環氧樹脂復合材料的導熱電絕緣填料。SiO2包覆鱗片石墨的體積電阻率從原始石墨的184Ω·m增加到6391Ω·m，SiO2涂覆的石墨/環氧樹脂復合材料呈現出高的體積電阻率（3.11×109Ω·m）和熱導率（3.08W·M-1·k-1）。此類涂層研究為高填充環氧基復合材料的導熱性與電絕緣性提供了更合適的處理。

4、結語

石墨及其產品在固體潤滑領域的研究與應用，既要著力傳統領域的系統研究與技術開發，也要致力新興領域的科學研究和技術創新。石墨涂料潤滑劑因制備簡單、應用方便備受科技工作者的青睞，但對石墨涂料潤滑劑存在的技術瓶頸必須予以關注，同時也要大力開發均質化石墨聚合物固體潤滑復合涂層和陶瓷化石墨聚合物固體潤滑前驅體涂層。石墨固體潤滑涂層隨著基礎科學研究和關鍵技術開發的突破將會迎來新的發展時代。

本文作者：劉鶴，郭軍紅，夏天東，包雪梅，慕波，楊保平，崔錦峰

來源：2019《涂料工業》第1期