一种快速超低摩擦橡胶表面层及其构筑方法

本发明涉及一种快速超低摩擦橡胶表面层及其构筑方法，尤其涉及一种橡胶表面碳薄膜+二维插层材料的制备方法，用于动密封件制备，属于固体润滑材料和摩擦学领域。

背景技术：

1、现代工业设备中存在大量的密封装置，用以防止工作介质泄漏及外界灰尘和异物侵入。密封介质一旦泄漏，轻则造成物料流失、设备损坏，重则可能引发火灾、爆炸。大多数动密封泄漏事故均与密封件的密封失效有关。橡胶具有良好的弹性恢复性、抗压性等优异性能，是最常用的密封材料。然而，橡胶动密封件装入密封槽后受到高压介质挤压变形，并在周期性应力作用下与钢质槽壁和密封杆对磨的摩擦系数极高（µ＞1），高摩擦产生的摩擦热极易导致橡胶密封件软化而快速磨损失效，使得高压密封介质从受损部位渗漏，进而影响设备的安全可靠服役。因此，解决橡胶密封件磨损失效问题必须从降低摩擦入手。

2、碳薄膜具有与钢对偶的低粘着特性、沉积温度低（沉积温度≤100℃，不会对丁腈橡胶基体产生致命损伤）、组分及机械强度可控、结构多变（如多微纳结构、多元素掺杂等）、摩擦磨损低等优异性能，因而是实现橡胶表面低摩擦的理想涂层。然而，碳薄膜在摩擦初期（达到稳定低摩擦之前）均会经历一段时间的磨合期，在此期间其摩擦系数较高（≥0.1，甚至更高），从而加剧薄膜异常磨损失效。如果磨合期长，则会导致润滑效率下降、资源时间浪费，甚至致使整个密封系统失效。因此，如何构筑快速超低摩擦橡胶表面是解决未来橡胶密封件磨损失效的重中之重。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种快速超低摩擦橡胶表面层及其构筑方法，是利用气相沉积技术在橡胶表面制备碳薄膜，同时将mxene基二维材料与其他二维材料进行插层处理制备二维插层材料，最后将二维插层材料喷涂至碳薄膜表面。摩擦过程中，二维插层材料在摩擦法向载荷作用下会迅速在摩擦界面形成异质结配副，从而有效缩短摩擦磨合时间，进而快速实现超低摩擦特性。此外，该过程不受摩擦载荷、环境等其他外界因素影响，可以适用于多种复杂应用工况。

2、一、快速超低摩擦橡胶表面层及其构筑方法

3、本发明快速超低摩擦橡胶表面层，先是利用气相沉积技术在橡胶表面制备碳薄膜，然后将mxene基二维材料与其他二维材料进行插层处理制备二维插层材料，最后将其喷涂至碳薄膜表面而得。

4、上述快速超低摩擦橡胶表面层的制备方法，包括以下步骤：

5、1）橡胶基底清洗：将橡胶板切割成20×20mm2的橡胶片，浸泡在50~60℃肥皂水溶液中超声清洗30~45min，以除去橡胶表面的油脂和污垢；然后取出并浸泡在90~95℃蒸馏水超声清洗20~30min，以除去可能残留的肥皂水溶液；最后用干燥氮气吹干后放置于干燥箱中100~120℃下再干燥20~30min，以蒸发掉橡胶表面残留水分；上述过程反复进行4~5次；

6、所述橡胶基底为丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、硅橡胶及三元乙丙橡胶中的一种，橡胶表面粗糙度≤200nm，橡胶厚度为2~4mm。

7、2）非晶碳薄膜制备：打开石墨靶溅射电源，调整靶基距为8~12cm，靶电流为3a，氩气流量为45~60sccm，ar/ch4流量比为1.5:1，基底偏压为-700v，气压为0.5~0.8pa，占空比为40~45%，频率为60~70khz，沉积时间为120~150min；

8、所述非晶碳薄膜为含氢或不含氢非晶碳薄膜，薄膜厚度为500nm~1.0µm。

9、3）mxene基二维材料与其他二维材料插层处理：①将mxene粉末干燥后均匀分布于气相插层反应室样品台上，抽真空至10-2至10-3torr后通入氢气；②将反应室中mxene样品加热至300~400℃，保温1~3h，确保氢气分子充分扩散到mxene二维片层层间；③关闭氢气，让反应室自然冷却至室温取出；④将其与其他二维材料分散在有机溶剂中，超声分散均匀即可制得二维插层材料；

10、所述mxene基二维材料为ti基、v基、mo基mxene中的一种或几种；其他二维材料为石墨烯基、二硫化钼、氮化硼中的一种或几种；mxene基二维材料与其他二维材料质量比为1~1.5：1，所述有机溶剂为无水乙醇、丙酮中的一种。

11、4）喷涂二维插层材料：将上述二维插层材料溶液装入便携式喷涂仪，同时将碳薄膜进行预热，最后将二维插层材料均匀喷涂到非晶碳薄膜表面，待溶剂完全挥发后可得到本发明的快速超低摩擦橡胶表面。

12、所述碳薄膜预热温度为80~100℃，喷枪工作压力为2~4mpa，喷枪匀速移动速度为2~4厘米/秒，喷嘴距离基底20~30cm。

13、图1 为本发明构筑的快速超低摩擦橡胶表面横截面结构示意图。可见，摩擦过程中，二维插层材料在摩擦法向载荷作用下，其摩擦接触界面会迅速形成异质结配副，从而有效缩短摩擦磨合时间，进而快速实现超低摩擦特性。本发明有效攻克了目前橡胶软表面硬质碳基涂层摩擦磨合期较长的技术难题，且工艺过程易于控制，可操作性强，获得的橡胶表面能够快速实现超低摩擦，易于实现大面积工业化应用。

14、二、本发明构筑的橡胶表面性能测试

15、1、磨合时间

16、采用球-盘旋转式摩擦磨损试验机对本发明构筑的橡胶表面进行摩擦磨合时间测试，结果显示其磨合时间为30~60秒。

17、2、摩擦系数

18、图2 为本发明构筑的快速超低摩擦橡胶表面摩擦系数曲线图。采用摩擦磨损试验机对本发明构筑的橡胶表面进行摩擦学性能评价。摩擦条件为：球-盘旋转模式，法向载荷10n，摩擦对偶为φ6mm gcr15钢球，测试环境为大气。结果显示：常规的纯碳薄膜摩擦系数较高（＞0.18），而本发明构筑的橡胶表面摩擦系数显著降低（0.04~0.08）。

19、综上所述，本发明与现有技术相比具有以下优点：

20、1、碳薄膜表面喷涂二维插层材料，摩擦过程中二维插层材料在法向载荷作用下，其摩擦接触界面会迅速形成异质结配副，从而有效缩短摩擦磨合时间，进而快速实现超低摩擦特性。

21、2、本发明有效攻克了目前橡胶软表面硬质碳基涂层摩擦磨合期较长的技术难题，且该过程不受摩擦载荷、环境等其他外界因素影响，可以应用于多种复杂工况。

22、3、本发明工艺简单且易于控制，可操作性强，构筑的橡胶表面能够快速实现超低摩擦特性，易于实现大面积工业化应用。

技术特征：

1.一种快速超低摩擦橡胶表面层，先是利用气相沉积技术在橡胶表面制备碳薄膜，然后将mxene基二维材料与其他二维材料进行插层处理制备二维插层材料，最后将其喷涂至碳薄膜表面而得。

2.一种如权利要求1所述快速超低摩擦橡胶表面层的构筑方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述快速超低摩擦橡胶表面层的构筑方法，其特征在于，步骤1）中，所述橡胶基底为丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、硅橡胶及三元乙丙橡胶中的一种，橡胶表面粗糙度≤200nm，橡胶厚度为2~4mm。

4.如权利要求2所述快速超低摩擦橡胶表面层的构筑方法，其特征在于，步骤2）中，所述非晶碳薄膜为含氢或不含氢非晶碳薄膜，薄膜厚度为500nm~1.0µm。

5.如权利要求2所述快速超低摩擦橡胶表面层的构筑方法，其特征在于，步骤3）中，所述mxene基二维材料为ti基、v基、mo基mxene中的一种或几种；其他二维材料为石墨烯基、二硫化钼、氮化硼中的一种或几种；mxene基二维材料与其他二维材料质量比为1~1.5:1，所述有机溶剂为无水乙醇、丙酮中的一种。

6.如权利要求2所述一种快速超低摩擦橡胶表面层的构筑方法，其特征在于：所述碳薄膜预热温度为80~100℃，喷枪工作压力为2~4mpa，喷枪匀速移动速度为2~4厘米/秒，喷嘴距离基底20~30cm。

技术总结本发明一种快速超低摩擦橡胶表面层及其构筑方法，是利用气相沉积技术在橡胶表面制备碳薄膜，同时将MXene基二维材料与其他二维材料进行插层处理制备二维插层材料，最后将其喷涂至碳薄膜表面而得。本发明二维插层材料在摩擦法向载荷作用下会迅速形成异质结配副，从而有效缩短摩擦磨合时间，进而快速实现超低摩擦特性。该过程不受摩擦载荷、环境等其他外界因素影响，可适用于多种复杂应用工况。本发明工艺过程易于控制，可操作性强，获得的橡胶表面极短时间内便可实现超低摩擦，易于实现大面积工业化应用。技术研发人员：强力,高云龙,魏彤,任俊辉,闫晓锋,梁爱民受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2025/1/6