一种固/液超润滑材料体系及其制备方法

本发明属于材料表面润滑，具体涉及一种固/液超润滑材料体系及其制备方法，尤其涉及一种由高熵氮化物涂层与离子液体复合形成的超润滑材料体系及其制备方法，适用于精密运动零部件表面的超润滑处理。

背景技术：

1、摩擦磨损是机械装备运行过程中普遍存在的界面行为，也是造成工业能源损耗、设备零部件失效的核心诱因之一。据统计，全球约三分之一的初级能源消耗最终用于克服摩擦，而摩擦导致的磨损则是机械装备零部件失效的主要形式。在现代工业体系中，大量精密机械装备长期处于高速、重载、多变工况下运行，界面摩擦磨损不仅造成大量的无效能源消耗，还会加剧零部件磨损失效，严重制约工业装备的服役稳定性与使用寿命，已成为限制高端制造、精密机械、航空航天等前沿领域装备高性能、长寿命、低能耗发展的关键瓶颈问题。

2、传统润滑技术主要依靠润滑油、润滑脂或固体润滑涂层来降低摩擦副之间的摩擦系数和磨损率，在一定程度上延缓了摩擦磨损带来的危害。然而，受限于润滑材料本身的物化特性与润滑机制，传统润滑技术的摩擦系数通常处于0.05~0.1量级，已逐渐难以满足现代高端装备对超低摩擦、极低磨损及长周期稳定服役的严苛需求。在此背景下，超润滑技术应运而生。所谓超润滑，是指摩擦界面摩擦系数趋于零的润滑状态，在实际工程测量中，通常将摩擦系数低于0.01的润滑体系界定为超润滑体系。超润滑技术有望从根本上解决摩擦损耗问题，是润滑技术领域的重要发展方向。

3、根据润滑介质与作用形式的差异，现有超润滑技术主要分为固体超润滑与固/液复合超润滑两大类。固体超润滑主要依赖具有特殊晶体结构的固体润滑材料（如类金刚石碳基薄膜、过渡金属硫化物等）在摩擦界面形成低剪切强度的转移膜，但其对摩擦副基体材料的表面精度、结构特性及界面适配性要求极为严苛，且往往需要在特定环境气氛下才能实现超润滑，工程适配场景严重受限。与之相比，固/液复合超润滑结合了固体涂层的承载能力和液体润滑剂的铺展自修复特性，依托润滑剂在摩擦界面快速铺展成膜的特性，可在摩擦副表面构筑低剪切强度的致密润滑保护膜，实现稳定的超低摩擦效果。该技术方案对基体材料表面特性的依赖度更低、适配工况更广、工程实用性更强，因此成为超润滑技术领域的研究热点。

4、在固/液复合超润滑体系中，固体涂层的选择至关重要。现有技术中已有采用金属氮化物涂层（如tin、crn等）配合液体润滑剂实现减摩效果的报道，但常规二元氮化物涂层的力学性能和摩擦学性能有限，难以在高接触应力下维持稳定的低摩擦状态。例如，中国专利cn121362938a公开了一种低摩擦固/脂润滑体系，采用cralvtinbn高熵氮化物涂层配合润滑脂实现减摩效果，但其润滑介质为润滑脂，在精密微小运动副中润滑脂的补给和铺展受限，且其公开的技术方案在多种基材上的适配性仍有待提高。

5、高熵合金氮化物涂层因其独特的高熵效应和优异的热稳定性、力学性能而受到广泛关注，但其在固/液复合润滑体系中的应用研究仍十分有限，尤其是如何选择和设计能够与特定液体润滑剂发生协同润滑效应的涂层组分仍缺乏系统研究。

6、此外，液体润滑剂的选择同样是决定固/液复合超润滑体系能否实现超低摩擦的关键因素。离子液体作为一种新型绿色润滑剂，具有极低的蒸气压、优异的热稳定性和良好的润滑性能，在润滑领域展现出广阔的应用前景。然而，常规离子液体润滑剂的黏度较大，在摩擦界面的铺展和浸润速度有限，且单一离子液体难以在摩擦过程中与固体涂层形成有效的摩擦化学协同效应，导致其在实际工况下的润滑效果往往不及预期。已有研究尝试将锂盐溶解于有机溶剂中形成离子液体体系，但其与特定固体涂层的配伍关系、作用机制及性能调控规律尚不清楚。

7、鉴于此，本发明提供了一种固/液超润滑材料体系及其制备方法，通过在多弧离子镀技术制备的(ticrnbval)n高熵氮化物涂层表面复合特定组成的离子液体（由锂盐溶解于乙二醇并经去离子水稀释而成），利用涂层的高承载能力与离子液体的优异铺展成膜性能，在摩擦过程中通过二者的摩擦化学反应协同形成低剪切强度的润滑膜，实现了摩擦系数低于0.01的稳定超润滑效果。本发明所述的固/液超润滑材料体系能够适配多种金属基材，为其提供稳定可靠的超低摩擦与耐磨保护，在精密运动零部件表面的超润滑处理领域具有重要的应用前景。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种固/液超润滑材料体系及其制备方法，通过在零部件表面沉积高熵氮化物涂层，并配合以特定组成的离子液体，可以显著降低摩擦过程中的摩擦系数并达到超润滑效果，从而为精密运动零部件的长寿命高精度运行提供技术保障。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种固/液超润滑材料体系，所述固/液超润滑材料体系由沉积于基材表面的高熵氮化物涂层和覆盖于所述高熵氮化物涂层表面的离子液体组成。

4、优选地，所述高熵氮化物涂层为(ticrnbval)n高熵氮化物涂层。

5、优选地，所述(ticrnbval)n高熵氮化物涂层中，ti、cr、nb、v、al各金属元素的原子占比均为5%~15%。

6、优选地，所述(ticrnbval)n高熵氮化物涂层的厚度为1~3 μm。

7、优选地，所述离子液体由锂盐溶解于乙二醇后用去离子水稀释而成。

8、优选地，所述锂盐选自三氟甲磺酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐、四氟硼酸锂中的一种或几种。

9、优选地，所述锂盐与所述乙二醇的质量比为1：（5~30）；所述锂盐的乙二醇溶液与所述去离子水的质量比为1：（5~35）。

10、优选地，所述基材为金属基材，所述金属基材选自inconel 718合金、高速钢、tm210a马氏体时效钢、304不锈钢、9cr18不锈钢、9cr18mo不锈钢中的任意一种，但不限于此。

11、优选地，以氮化硅陶瓷球作为摩擦对偶球时，所述固/液超润滑材料体系的摩擦系数低于0.01，实现超润滑。

12、本发明还提供了上述固/液超润滑材料体系的制备方法，包括以下步骤：

13、（1）采用多弧离子镀技术在基材表面沉积(ticrnbval)n高熵氮化物涂层；

14、（2）将锂盐溶解于乙二醇中，再用去离子水稀释，得到离子液体；

15、（3）将所述离子液体覆盖于所述(ticrnbval)n高熵氮化物涂层表面，得到所述固/液超润滑材料体系。

16、优选地，步骤（1）中，沉积所述(ticrnbval)n高熵氮化物涂层之前，先在基材表面沉积过渡层，所述过渡层选自tial层、ti层或cr层中的任意一种。

17、优选地，沉积所述过渡层时，工作气体为氩气，腔室气压为0.05~1pa，负偏压为100~300v，沉积温度为100~300℃，阴极靶材的电流为60~100a；选用靶材为tial靶、ti靶、cr靶或cral靶中的一种或两种。

18、优选地，步骤（1）中，沉积所述(ticrnbval)n高熵氮化物涂层之前，还包括对基材进行离子刻蚀清洗的步骤：将镀膜腔室真空度抽至7×10-3pa以下，将基材加热至100~300℃，通入氩气使腔室气压为0.5~2pa，负偏压为400~800v，进行离子刻蚀去除基材表面残留油污和吸附物。

19、优选地，步骤（1）中，沉积所述(ticrnbval)n高熵氮化物涂层时，工作气体为氩气和氮气，氮气与氩气的流量比为（0.5~5）：1，腔室气压为0.1~1pa，负偏压为100~400v，沉积温度为100~300℃，阴极靶材的电流为60~120a；采用的阴极靶材为cr靶、cral靶、nb靶、v靶、val靶、ti靶、tial靶中的多种。

20、优选地，步骤（2）中，所述锂盐选自三氟甲磺酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂中的一种或几种；所述锂盐与所述乙二醇的质量比为1：（5~30）；所述锂盐的乙二醇溶液与所述去离子水的质量比为1：（5~35）。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、1、本发明通过将(ticrnbval)n高熵氮化物涂层与特定组成的离子液体（锂盐-乙二醇-去离子水体系）复合，构建了固/液超润滑材料体系。高熵氮化物涂层凭借其高硬度、优异的承载能力和良好的韧性，能够有效抵抗接触应力、保护基材；离子液体在摩擦界面快速铺展，与涂层发生摩擦化学反应生成低剪切强度的润滑膜，二者协同作用实现了摩擦系数低于0.01的稳定超低摩擦，达到超润滑状态。

23、2、本发明的高熵氮化物涂层采用多弧离子镀技术制备，通过优化沉积工艺参数（气体流量比、气压、偏压、电流等），使得涂层组织致密、各金属元素分布均匀，涂层与基材结合强度高，能够适配多种金属基材（包括inconel 718合金、高速钢、tm210a马氏体时效钢、304不锈钢、9cr18不锈钢等），克服了现有技术中固体超润滑对基材表面精度和结构特性要求严苛的缺陷。

24、3、本发明通过对离子液体中锂盐种类（三氟甲磺酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐、四氟硼酸锂）以及各组分质量比（锂盐与乙二醇1:5~30，锂盐溶液与去离子水1:5~35）的优化筛选，获得了与(ticrnbval)n高熵氮化物涂层具有最佳配伍关系的离子液体组成。实验证明，上述三种锂盐均能与(ticrnbval)n涂层实现协同超润滑效果，而对比例1中采用六氟磷酸锂替换后无法实现超润滑，说明本发明筛选的锂盐种类及其配比具有特定的选择性和预料不到的技术效果。

25、4、本发明的固/液超润滑材料体系制备工艺成熟、操作简便、重复性好，无需复杂的后处理工序，易于实现工业化应用，在精密运动零部件表面的超润滑处理领域具有广阔的应用前景。