張麗秀 張金鈺 魏曉奕 王俊海 李頌華 王乾坤

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)分析與檢測(cè)技術(shù)研究中心 遼寧沈陽(yáng) 110168；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 遼寧沈陽(yáng) 110168；3.沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110168；4.沈陽(yáng)建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110168)

聚酰亞胺(PI)因具有優(yōu)越的自潤(rùn)滑性、耐磨性及耐高低溫性能等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在航空航天等許多高新技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[3]。特別是通過(guò)冷壓熱燒結(jié)的方法將PI粉末制備成多孔材料，其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)及特性使PI材料具有了儲(chǔ)油能力。與傳統(tǒng)PI材料相比，多孔PI在受到溫度、離心力作用時(shí)，儲(chǔ)存在微孔內(nèi)的潤(rùn)滑油可以穩(wěn)定流出，作用停止時(shí)多余的潤(rùn)滑油又被吸收回微孔[4]，故利用該材料制成軸承保持架作為儲(chǔ)油介質(zhì)，可以在航空航天等無(wú)持續(xù)供油條件下保證潤(rùn)滑條件[5]。但在高溫、高速等極端工況條件下，多孔材料保持架的持續(xù)潤(rùn)滑時(shí)間會(huì)遭到大幅削減，同時(shí)保持架摩擦磨損現(xiàn)象也會(huì)大幅加劇進(jìn)而造成機(jī)械故障、零件失效等諸多問(wèn)題[6]。而石墨烯具有表面積較大、力學(xué)性能優(yōu)異、耐高溫、耐腐蝕和自潤(rùn)滑等性能，可將其作為潤(rùn)滑油添加劑，用于潤(rùn)滑減摩及冷卻降溫等方面[7-8]。將石墨烯潤(rùn)滑油滲入多孔PI制成多孔含石墨烯潤(rùn)滑油PI(文中簡(jiǎn)稱(chēng)PI/CG)用于改善其潤(rùn)滑效果，對(duì)多孔PI材料在航空、航天及特殊場(chǎng)合的應(yīng)用具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于多孔PI材料的摩擦學(xué)行為進(jìn)行了大量研究。在宏觀方面，研究了不同孔隙率的多孔含油PI(文中簡(jiǎn)稱(chēng)PI/C)在不同工況條件下(滑動(dòng)速度、載荷、不同表面形態(tài)等)的摩擦學(xué)行為。研究結(jié)果表明與無(wú)孔PI相比，PI/C具有較低且相對(duì)穩(wěn)定摩擦因數(shù)和較少的磨損[9-13]。微觀方面，研究了多孔PI孔隙內(nèi)流體的滲流行為。王春波[14]對(duì)PI材料構(gòu)造了數(shù)值化模型，并對(duì)潤(rùn)滑油流動(dòng)行為進(jìn)行了模擬仿真，探討了潤(rùn)滑油在PI孔隙結(jié)構(gòu)中的潤(rùn)滑機(jī)制?？紤]到PI的自身性質(zhì)對(duì)滲流行為的影響，岳亞美[15]研究了多孔PI的潤(rùn)濕性，開(kāi)展了二維結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑油仿真，探討了離心力和溫度作用下潤(rùn)滑油在多孔材料的潤(rùn)滑機(jī)制。分子動(dòng)力學(xué)模擬也可以從微觀角度觀察多孔含油PI潤(rùn)滑機(jī)制[16-18]。CHEN等[19-20]通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，建立了粗粒度模型，研究了潤(rùn)滑油在多孔PI內(nèi)部的循環(huán)過(guò)程，認(rèn)為孔徑的增大使毛細(xì)管效應(yīng)減小從而使?jié)櫥腿菀琢鞒觥?/p>

目前，針對(duì)含油多孔PI摩擦學(xué)行為的分子動(dòng)力學(xué)研究較為匱乏，且對(duì)于石墨烯潤(rùn)滑油對(duì)多孔PI的協(xié)同潤(rùn)滑研究很少。鑒于此，本文作者將石墨烯潤(rùn)滑油滲入多孔PI，以氮化硅(Si3N4)為摩擦副，基于分子動(dòng)力學(xué)原理建立了Si3N4-多孔PI-Si3N4層結(jié)構(gòu)以及PI/C-潤(rùn)滑油膜-Si3N4層結(jié)構(gòu)，從微觀角度分析了石墨烯潤(rùn)滑油對(duì)多孔PI潤(rùn)滑效果的影響，并通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

1 石墨烯潤(rùn)滑油與多孔PI潤(rùn)滑體系分子動(dòng)力學(xué)模型

1.1 分子模型的建立

為模擬多孔PI/C的摩擦行為，模型中摩擦副的上下壁面采用Si3N4，中間潤(rùn)滑區(qū)域采用PI/C為潤(rùn)滑體系，運(yùn)用Materials Studio7.0中的Visualizer分別建立PI單體、Si3N4、聚合度為5的PI鏈、石墨烯、正十六烷烴潤(rùn)滑油分子模型，相關(guān)分子結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。運(yùn)用Amorphous Cell模塊將潤(rùn)滑油分子與石墨烯分子混合，如圖2所示建立孔隙率為30%以及孔徑為0.564～1.088 nm的多孔 PI且含石墨烯潤(rùn)滑油的多孔PI中石墨烯與潤(rùn)滑油的比例為3∶100的潤(rùn)滑體系模型。

圖1 模擬分子模型Fig.1 Analog molecular model：(a)molecular structure of PI monomer；(b)molecular structure of Si3N4；(c)molecular structure of PI with polymerization degree of 5；(d)molecular structure of graphene；(e)molecular structure of n-hexadecane

圖2 潤(rùn)滑體系模型Fig.2 Lubrication system model：(a)porous PI model；(b)PI/C model；(c)PI/CG model

1.2 勢(shì)函數(shù)

為了模擬潤(rùn)滑體系與Si3N4壁面間分子作用力，需計(jì)算范德華能。多孔PI為復(fù)雜的長(zhǎng)鏈分子，分子間除了存在鍵的相互作用，還存在非鍵相互作用。計(jì)算范德華相互作用勢(shì)能函數(shù)主要為

(1)

式中：U為總勢(shì)能；R0表示平衡距離；D0表示結(jié)合能；R表示原子間距離。

潤(rùn)滑體系內(nèi)部相鄰的原子間包括有共價(jià)鍵的拉、彎曲及扭轉(zhuǎn)作用。對(duì)于共價(jià)鍵的拉伸，有

(2)

式中：r0為兩原子間的參考鍵長(zhǎng)；r為兩原子間的瞬間實(shí)際鍵長(zhǎng)；ks為力常數(shù)，設(shè)置為ks=1 250 kJ/(mol·nm2)。

扭曲運(yùn)動(dòng)是很低頻率的運(yùn)動(dòng)，二面角達(dá)到平衡狀態(tài)的速度很慢，對(duì)分子構(gòu)型具有決定作用，如下式所示

(3)

式中：ka是力常數(shù)設(shè)置，ka=25 kJ/(mol·rad2)；θ為平衡鍵角；θ0為參考鍵角，其值取決于材料。

1.3 剪切應(yīng)力模型

當(dāng)含石墨烯潤(rùn)滑油多孔PI模型受到外力時(shí)，整個(gè)體系處于應(yīng)力狀態(tài)。經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)馳豫之后系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，外應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)力保持平衡。一般而言，應(yīng)力是具有9個(gè)分量的二階張量，表示如下

(4)

式中：σij為潤(rùn)滑體系中不同分量的剪切應(yīng)力。

在原子層面計(jì)算中，內(nèi)部剪切應(yīng)力張量可以用Virial公式表示

(5)

式中：V0表示未變形的系統(tǒng)體積；i表示系統(tǒng)中從1到N的所有粒子；mi和vi表示粒子i的質(zhì)量和速度；rij和fij表示粒子i和j之間的距離和力。

(6)

(7)

式中：vix(viy，viz)、rijx(rijy，rijz)和fijx(fijy，fijz)分別表示第i個(gè)原子的速度及與第j個(gè)原子之間矢量距離、力在(x，y，z)方向上的分量。

1.4 分子動(dòng)力學(xué)模擬

首先采用Amorphous Cell進(jìn)行模型的建立，建立孔隙率為30%的多孔PI結(jié)構(gòu)，加入潤(rùn)滑油即建成了PI/C，模擬采用Forcite模塊對(duì)模型進(jìn)行三部分計(jì)算。為了獲得更合理的多孔PI復(fù)合結(jié)構(gòu)，首先用Geometry Optimization進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即采用Smart計(jì)算法找到模型的最低能量構(gòu)象，以該構(gòu)象作為模型進(jìn)行模擬。其次進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，勢(shì)能模型選擇Universal力場(chǎng)，同時(shí)選擇恒溫恒壓(NPT)系綜對(duì)模擬條件進(jìn)行設(shè)定。運(yùn)用Build Layers工具建立Si3N4-PI/C-Si3N4層結(jié)構(gòu)，對(duì)模型施加模擬初始溫度為298 K，時(shí)間步長(zhǎng)選擇1 fs。最后進(jìn)行非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬，即剪切運(yùn)動(dòng)計(jì)算，應(yīng)用Forcite模塊中Confined shear功能進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)。即模型的上下摩擦壁面都被施加模擬所需的速度條件，使上層Si3N4和下層PI/C摩擦副沿著水平x軸方向以設(shè)定的速度做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，對(duì)于PI/C的潤(rùn)滑，共分為3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)一為潤(rùn)滑油未從多孔PI孔隙內(nèi)滲出，即潤(rùn)滑油在多孔PI孔隙內(nèi)，PI/C與Si3N4進(jìn)行摩擦；結(jié)構(gòu)二為潤(rùn)滑油受到離心力或溫度等因素影響，從多孔PI孔隙內(nèi)滲出并在兩壁面間形成潤(rùn)滑油膜的狀態(tài)；結(jié)構(gòu)三為孔隙內(nèi)的潤(rùn)滑油全部流出，兩壁面間沒(méi)有潤(rùn)滑油膜，處于干摩擦的狀態(tài)。仿真過(guò)程流程如圖4所示。

圖3 多孔PI不同結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑機(jī)制示意Fig.3 Schematic of porous PI lubrication mechanism：(a)structure one；(b)structure two；(c)structure three

圖4 模擬仿真計(jì)算流程Fig.4 Simulation calculation flow

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 多孔PI和Si3N4摩擦副潤(rùn)滑狀態(tài)的仿真分析

(1)結(jié)構(gòu)一仿真結(jié)果

建立Si3N4―潤(rùn)滑體系―Si3N4層結(jié)構(gòu)，圖5所示為PI/C以及PI/CG在潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)一的剪切運(yùn)動(dòng)層結(jié)構(gòu)。在溫度為298 K、壓力為102 MPa、剪切速度為0.005 nm/ps及運(yùn)動(dòng)100 ps情況下剪切運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。可見(jiàn)，加入石墨烯潤(rùn)滑油之后由于潤(rùn)滑油在孔內(nèi)的流動(dòng)等協(xié)同作用，增加了多孔PI結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高了耐磨性。PI/C以及PI/CG與Si3N4壁面間的范德華能分別為-9 806.385和-13 968.444 kJ/mol，范德華能都為負(fù)值，吸附過(guò)程為放熱過(guò)程，吸附狀態(tài)是穩(wěn)定的，浸入石墨烯潤(rùn)滑油的多孔PI范德華能的絕對(duì)值較大，潤(rùn)滑效果更好。PI/C以及PI/CG與Si3N4壁面的剪切應(yīng)力分別為9.84和6.45 GPa，石墨烯潤(rùn)滑油的浸入有效地降低了摩擦副間的剪切應(yīng)力，減小了壁面間的摩擦。

圖6 潤(rùn)滑體系剪切運(yùn)動(dòng)后構(gòu)型(結(jié)構(gòu)一)Fig.6 Lubrication system configuration after shear motion(structure one)：(a)shear motion of Si3N4-PI/C-Si3N4；(b) shear motion of Si3N4-PI/CG-Si3N4

(2)結(jié)構(gòu)二仿真結(jié)果

當(dāng)潤(rùn)滑體系受到剪切力或溫度等因素影響時(shí)，潤(rùn)滑油從孔隙中流出到Si3N4表面形成潤(rùn)滑油膜，而石墨烯的加入可以延長(zhǎng)PI/C的潤(rùn)滑時(shí)間，更容易達(dá)到極端工況下所需的潤(rùn)滑效果。在PI/C潤(rùn)滑的第二種結(jié)構(gòu)中，石墨烯的加入可使其分為兩部分，首先是只有潤(rùn)滑油的滲出，形成潤(rùn)滑油膜；其次是受到工況條件的持續(xù)影響，石墨烯粒子流出到潤(rùn)滑油膜當(dāng)中，形成石墨烯潤(rùn)滑油膜。為簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，只研究潤(rùn)滑體系與下壁面間的摩擦，建立了如圖7所示的潤(rùn)滑油膜層結(jié)構(gòu)。在溫度為298 K、壓力為102 MPa、剪切速度為0.005 nm/ps的情況下剪切運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖8所示?？梢钥闯鍪┑募尤虢档土硕嗫譖I每個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)速度，提高了界面的穩(wěn)定性。

圖7 潤(rùn)滑體系層結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)二)Fig.7 Lubrication system layer structure(structure two)：(a) layer structure of PI/C-film-Si3N4；(b)layer structure of PI/CG-film-Si3N4；(c)layer structure of PI/CG-graphene lubricating oil film-Si3N4

圖8 潤(rùn)滑體系剪切運(yùn)動(dòng)后構(gòu)型(結(jié)構(gòu)二)Fig.8 The lubrication system configuration after shear motion (structure two)：(a)shear motion of PI/C-film-Si3N4：(b)shear motion of PI/CG-film-Si3N4；(c)shear motion of PI/CG-graphene lubricating oil-Si3N4

進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)后3種構(gòu)型的潤(rùn)滑油膜與Si3N4表面間的范德華能為-16 428.370、-18 269.647和-26 487.590 kJ/mol，可以發(fā)現(xiàn)多孔PI孔隙內(nèi)的潤(rùn)滑油中不含石墨烯時(shí)，范德華能存在最低值、吸附能力最差并且潤(rùn)滑效果最差。而當(dāng)采用PI/CG作為潤(rùn)滑體系在Si3N4表面形成石墨烯潤(rùn)滑油膜時(shí)，范德華能最大、吸附能力最強(qiáng)，即潤(rùn)滑效果最好。潤(rùn)滑體系與Si3N4壁面間的剪切應(yīng)力分別為6.27、4.22和3.48 GPa。由于潤(rùn)滑油的滲出，剪切應(yīng)力明顯小于結(jié)構(gòu)一，另外石墨烯的加入大大減小了剪切應(yīng)力，這是因?yàn)槭?rùn)滑油膜的形成對(duì)潤(rùn)滑效果有改善的作用，大大減小了壁面間的剪切應(yīng)力。

(3)結(jié)構(gòu)三仿真結(jié)果

當(dāng)多孔PI/CG孔隙內(nèi)潤(rùn)滑油全部流出后，兩壁面間沒(méi)有潤(rùn)滑油膜，處于干摩擦的狀態(tài)。建立如圖9所示Si3N4-多孔PI-Si3N4層結(jié)構(gòu)以及剪切運(yùn)動(dòng)后構(gòu)型，可以看出多孔PI干摩擦?xí)r材料狀態(tài)松散，剪切運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，耐磨性較差，兩壁面間范德華能為2 159.877 kJ/mol，為正值，吸附過(guò)程為吸熱過(guò)程，吸附狀態(tài)是不穩(wěn)定的。多孔PI與Si3N4壁面間的剪切應(yīng)力為15.63 GPa，剪切應(yīng)力較大，即壁面間摩擦力較大。

圖9 Si3N4-多孔PI-Si3N4層結(jié)構(gòu)以及剪切運(yùn)動(dòng)后構(gòu)型(結(jié)構(gòu)三)Fig.9 Si3N4-porous PI-Si3N4 layer structure and post shear configuration (structure three)：(a)layer structure of Si3N4-PI-Si3N4：(b)post shear configuration of Si3N4-PI-Si3N4

2.2 仿真結(jié)果對(duì)比分析

因多孔PI潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)三兩壁面間狀態(tài)與結(jié)構(gòu)一相似，將一并進(jìn)行對(duì)比分析。為探討多孔PI的摩擦學(xué)性能，得出了多孔PI在不同狀態(tài)下的相對(duì)濃度分布及溫度分布，多孔PI在剪切運(yùn)動(dòng)中與上下壁面由于吸附作用近壁面處的PI分子吸附在Si3N4壁面上，這部分潤(rùn)滑體系分子與上下壁面有相同的運(yùn)動(dòng)速度。圖10(a)所示為在系統(tǒng)高度方向上多孔PI與Si3N4壁面接觸處的相對(duì)濃度分布，可以看出加入石墨烯潤(rùn)滑油后在壁面接觸處的原子濃度最高且潤(rùn)滑效果最好。圖10(b)所示為溫度分布。在進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)時(shí)，干摩擦生熱量極高，而PI/C摩擦溫度有明顯的降低，并且加入石墨烯之后不僅可以降低摩擦因數(shù)，同時(shí)也降低了多孔PI材料的摩擦熱。

圖10 結(jié)構(gòu)一、三多孔PI剪切運(yùn)動(dòng)潤(rùn)滑效果Fig.10 Shear motion lubrication effect of porous PI of structure 1 and 3：(a)relative concentration distribution：(b)temperature distribution

結(jié)構(gòu)二的相對(duì)濃度分布及溫度分布如圖11所示。剪切運(yùn)動(dòng)兩壁面間為石墨烯油膜時(shí)分子濃度最高、吸附能力最強(qiáng)、潤(rùn)滑效果最好，并且摩擦生熱量最低。石墨烯的加入對(duì)PI/C的潤(rùn)滑有改善效果。

圖11 結(jié)構(gòu)二剪切運(yùn)動(dòng)潤(rùn)滑效果Fig.11 Shear motion lubrication effect of porous PI of structure 2：(a)relative concentration distribution：(b)temperature distribution

3 多孔PI與Si3N4摩擦副間的摩擦磨損試驗(yàn)

3.1 多孔PI材料的制備

采用冷壓熱燒結(jié)工藝制備多孔 PI試樣，稱(chēng)取5 g的PI粉末，冷壓壓力10 MPa下壓制成圓片后，在溫度為350 ℃下進(jìn)行燒結(jié)，保溫60 min得到孔隙率為30%的多孔PI材料，如圖12所示。配置石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的石墨烯潤(rùn)滑油，將試樣超聲浸入潤(rùn)滑油2 h使其內(nèi)部孔隙吸滿(mǎn)潤(rùn)滑油，使用吸紙擦干試樣表面的油，得到含油多孔PI材料。

圖12 多孔PI試樣Fig.12 Porous PI samples

3.2 試驗(yàn)方案

為探究不同結(jié)構(gòu)下PI/C及PI/CG的摩擦學(xué)行為，采用Rtec多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)轉(zhuǎn)原理如圖13所示。試驗(yàn)采用往復(fù)式滑動(dòng)摩擦，對(duì)仿真中3種結(jié)構(gòu)的多孔PI材料的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)以Si3N4/多孔PI作為摩擦副，試驗(yàn)載荷設(shè)定為60 N，Si3N4球的滑動(dòng)速度為0.2 m/s，試驗(yàn)時(shí)間為10 min。利用試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄摩擦副間的摩擦因數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后，利用超景深顯微鏡(日本Keyence公司生產(chǎn))對(duì)多孔PI的磨痕寬度以及Si3N4表面形貌進(jìn)行觀察分析。

圖13 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及工作原理Fig.13 Friction tester and its working principle

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.3.1 Si3N4與多孔PI摩擦副的摩擦因數(shù)分析

干摩擦和多孔PI潤(rùn)滑初期壁面間狀態(tài)較為相似，因此進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖14所示為多孔PI摩擦因數(shù)曲線。由圖14(a)可見(jiàn)，PI/CG材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)兩摩擦副間的摩擦因數(shù)最低，可見(jiàn)石墨烯的加入可以降低多孔含油PI的摩擦因數(shù)，改善其潤(rùn)滑效果。圖14(b)所示為多孔含油PI形成油膜時(shí)試驗(yàn)得到的摩擦因數(shù)曲線，結(jié)果顯示形成石墨烯潤(rùn)滑油膜的PI/CG摩擦因數(shù)最低，潤(rùn)滑效果最好。這是因?yàn)槭┑奶砑涌梢允節(jié)櫥透玫馗街谀Σ粮钡谋诿嫔希蛊湫纬删鶆虻臐?rùn)滑油膜，減少磨損，大幅度提升PI/C的潤(rùn)滑效果。

圖14 不同狀態(tài)下摩擦因數(shù)曲線Fig.14 Friction coefficient curves under different states：(a)friction coefficient of structure 1 and 3：(b)friction coefficient of structure 2

3.3.2 摩擦副的表面形貌觀測(cè)

圖15所示為干摩擦和多孔PI潤(rùn)滑初期時(shí)多孔PI表面磨痕形貌以及Si3N4表面磨痕對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)：PI/CG表面磨痕寬度較小，干摩擦?xí)r多孔PI材料磨痕寬度較大，并且多孔PI潤(rùn)滑時(shí)Si3N4表面的磨損情況明顯好于干摩擦，且干摩擦下Si3N4表面存在著不規(guī)則的凹坑。上述分析結(jié)果表明：浸入石墨烯潤(rùn)滑油的多孔PI，不僅磨痕寬度比干摩擦狀態(tài)下有明顯的減小，且Si3N4表面的磨損情況也得到大幅度改善，說(shuō)明石墨烯的加入有效地降低了摩擦副的磨損，提高了潤(rùn)滑性能。

圖15 干摩擦和多孔PI潤(rùn)滑初期摩擦副表面形貌Fig.15 Surface morphology of friction pairs in the dry friction and the initial stage of porous PI lubrication：(a)wear scar width of PI/C：(b)wear scar width of PI/CG；(c)wear scar width of dry friction；(d)Si3N4 surface wear scar tested with PI/C：(e)Si3N4 surface wear scar tested with PI/CG；(f)Si3N4 surface wear scar under dry friction

多孔含油PI形成油膜時(shí)摩擦副的表面形貌如圖16所示，可以發(fā)現(xiàn)：多孔PI表面磨痕寬度以及Si3N4表面狀態(tài)明顯優(yōu)于干摩擦和多孔PI潤(rùn)滑初期，這說(shuō)明形成油膜后的含油多孔PI潤(rùn)滑能力更優(yōu)。PI/CG形成油膜時(shí)Si3N4表面仍存在少許劃痕及凹坑，但當(dāng)石墨烯粒子隨潤(rùn)滑油流出在壁面間形成石墨烯油膜時(shí)，Si3N4表面的磨痕有了明顯的改善。這說(shuō)明石墨烯油膜能更好地保護(hù)摩擦壁面。

圖16 多孔含油PI形成油膜時(shí)摩擦副表面形貌Fig.16 Surface morphology of friction pairs when porous oil-containing PI forms an oil film：(a)wear scar width of PI/C-oil film：(b)wear scar width of PI/CG-oil film；(c)wear scar width of PI/CG-graphene lubricating oil film；(d)Si3N4 surface wear scar tested with PI/C-oil film；(e)Si3N4 surface wear scar tested with PI/CG-oil film；(f)Si3N4 surface wear scar tested with PI/CG-graphene lubricating oil film

4 結(jié)論

(1)含油多孔PI在進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后潤(rùn)滑油完全流盡的情況下，PI分子極其不穩(wěn)定，多孔PI耐磨性較差。

(2)潤(rùn)滑油從PI孔隙中流出形成油膜的階段潤(rùn)滑效果最好，且油膜中含石墨烯粒子時(shí)對(duì)于潤(rùn)滑效果又起到了促進(jìn)作用。

(3)基于多孔PI的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，在孔隙中添加石墨烯潤(rùn)滑油可以使PI材料的吸附能力變強(qiáng)、剪切應(yīng)力減小、摩擦副間溫度降低以及耐磨性增大。

(4)在多孔PI浸入石墨烯潤(rùn)滑油時(shí)，PI/CG在摩擦磨損試驗(yàn)中的摩擦學(xué)性能優(yōu)于PI/C。