本發(fā)明涉及一種快速超低摩擦橡膠表面層及其構筑方法，尤其涉及一種橡膠表面碳薄膜+二維插層材料的制備方法，用于動密封件制備，屬于固體潤滑材料和摩擦學領域。

背景技術：

1、現代工業(yè)設備中存在大量的密封裝置，用以防止工作介質泄漏及外界灰塵和異物侵入。密封介質一旦泄漏，輕則造成物料流失、設備損壞，重則可能引發(fā)火災、爆炸。大多數動密封泄漏事故均與密封件的密封失效有關。橡膠具有良好的彈性恢復性、抗壓性等優(yōu)異性能，是最常用的密封材料。然而，橡膠動密封件裝入密封槽后受到高壓介質擠壓變形，并在周期性應力作用下與鋼質槽壁和密封桿對磨的摩擦系數極高（μ＞1），高摩擦產生的摩擦熱極易導致橡膠密封件軟化而快速磨損失效，使得高壓密封介質從受損部位滲漏，進而影響設備的安全可靠服役。因此，解決橡膠密封件磨損失效問題必須從降低摩擦入手。

2、碳薄膜具有與鋼對偶的低粘著特性、沉積溫度低（沉積溫度≤100℃，不會對丁腈橡膠基體產生致命損傷）、組分及機械強度可控、結構多變（如多微納結構、多元素摻雜等）、摩擦磨損低等優(yōu)異性能，因而是實現橡膠表面低摩擦的理想涂層。然而，碳薄膜在摩擦初期（達到穩(wěn)定低摩擦之前）均會經歷一段時間的磨合期，在此期間其摩擦系數較高（≥0.1，甚至更高），從而加劇薄膜異常磨損失效。如果磨合期長，則會導致潤滑效率下降、資源時間浪費，甚至致使整個密封系統(tǒng)失效。因此，如何構筑快速超低摩擦橡膠表面是解決未來橡膠密封件磨損失效的重中之重。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種快速超低摩擦橡膠表面層及其構筑方法，是利用氣相沉積技術在橡膠表面制備碳薄膜，同時將mxene基二維材料與其他二維材料進行插層處理制備二維插層材料，最后將二維插層材料噴涂至碳薄膜表面。摩擦過程中，二維插層材料在摩擦法向載荷作用下會迅速在摩擦界面形成異質結配副，從而有效縮短摩擦磨合時間，進而快速實現超低摩擦特性。此外，該過程不受摩擦載荷、環(huán)境等其他外界因素影響，可以適用于多種復雜應用工況。

2、一、快速超低摩擦橡膠表面層及其構筑方法

3、本發(fā)明快速超低摩擦橡膠表面層，先是利用氣相沉積技術在橡膠表面制備碳薄膜，然后將mxene基二維材料與其他二維材料進行插層處理制備二維插層材料，最后將其噴涂至碳薄膜表面而得。

4、上述快速超低摩擦橡膠表面層的制備方法，包括以下步驟：

5、1）橡膠基底清洗：將橡膠板切割成20×20mm2的橡膠片，浸泡在50~60℃肥皂水溶液中超聲清洗30~45min，以除去橡膠表面的油脂和污垢；然后取出并浸泡在90~95℃蒸餾水超聲清洗20~30min，以除去可能殘留的肥皂水溶液；最后用干燥氮氣吹干后放置于干燥箱中100~120℃下再干燥20~30min，以蒸發(fā)掉橡膠表面殘留水分；上述過程反復進行4~5次；

6、所述橡膠基底為丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、硅橡膠及三元乙丙橡膠中的一種，橡膠表面粗糙度≤200nm，橡膠厚度為2~4mm。

7、2）非晶碳薄膜制備：打開石墨靶濺射電源，調整靶基距為8~12cm，靶電流為3a，氬氣流量為45~60sccm，ar/ch4流量比為1.5:1，基底偏壓為-700v，氣壓為0.5~0.8pa，占空比為40~45%，頻率為60~70khz，沉積時間為120~150min；

8、所述非晶碳薄膜為含氫或不含氫非晶碳薄膜，薄膜厚度為500nm~1.0μm。

9、3）mxene基二維材料與其他二維材料插層處理：①將mxene粉末干燥后均勻分布于氣相插層反應室樣品臺上，抽真空至10-2至10-3torr后通入氫氣；②將反應室中mxene樣品加熱至300~400℃，保溫1~3h，確保氫氣分子充分擴散到mxene二維片層層間；③關閉氫氣，讓反應室自然冷卻至室溫取出；④將其與其他二維材料分散在有機溶劑中，超聲分散均勻即可制得二維插層材料；

10、所述mxene基二維材料為ti基、v基、mo基mxene中的一種或幾種；其他二維材料為石墨烯基、二硫化鉬、氮化硼中的一種或幾種；mxene基二維材料與其他二維材料質量比為1~1.5：1，所述有機溶劑為無水乙醇、丙酮中的一種。

11、4）噴涂二維插層材料：將上述二維插層材料溶液裝入便攜式噴涂儀，同時將碳薄膜進行預熱，最后將二維插層材料均勻噴涂到非晶碳薄膜表面，待溶劑完全揮發(fā)后可得到本發(fā)明的快速超低摩擦橡膠表面。

12、所述碳薄膜預熱溫度為80~100℃，噴槍工作壓力為2~4mpa，噴槍勻速移動速度為2~4厘米/秒，噴嘴距離基底20~30cm。

13、圖1?為本發(fā)明構筑的快速超低摩擦橡膠表面橫截面結構示意圖?？梢?，摩擦過程中，二維插層材料在摩擦法向載荷作用下，其摩擦接觸界面會迅速形成異質結配副，從而有效縮短摩擦磨合時間，進而快速實現超低摩擦特性。本發(fā)明有效攻克了目前橡膠軟表面硬質碳基涂層摩擦磨合期較長的技術難題，且工藝過程易于控制，可操作性強，獲得的橡膠表面能夠快速實現超低摩擦，易于實現大面積工業(yè)化應用。

14、二、本發(fā)明構筑的橡膠表面性能測試

15、1、磨合時間

16、采用球-盤旋轉式摩擦磨損試驗機對本發(fā)明構筑的橡膠表面進行摩擦磨合時間測試，結果顯示其磨合時間為30~60秒。

17、2、摩擦系數

18、圖2?為本發(fā)明構筑的快速超低摩擦橡膠表面摩擦系數曲線圖。采用摩擦磨損試驗機對本發(fā)明構筑的橡膠表面進行摩擦學性能評價。摩擦條件為：球-盤旋轉模式，法向載荷10n，摩擦對偶為φ6mm?gcr15鋼球，測試環(huán)境為大氣。結果顯示：常規(guī)的純碳薄膜摩擦系數較高（＞0.18），而本發(fā)明構筑的橡膠表面摩擦系數顯著降低（0.04~0.08）。

19、綜上所述，本發(fā)明與現有技術相比具有以下優(yōu)點：

20、1、碳薄膜表面噴涂二維插層材料，摩擦過程中二維插層材料在法向載荷作用下，其摩擦接觸界面會迅速形成異質結配副，從而有效縮短摩擦磨合時間，進而快速實現超低摩擦特性。

21、2、本發(fā)明有效攻克了目前橡膠軟表面硬質碳基涂層摩擦磨合期較長的技術難題，且該過程不受摩擦載荷、環(huán)境等其他外界因素影響，可以應用于多種復雜工況。

22、3、本發(fā)明工藝簡單且易于控制，可操作性強，構筑的橡膠表面能夠快速實現超低摩擦特性，易于實現大面積工業(yè)化應用。

技術特征：

1.一種快速超低摩擦橡膠表面層，先是利用氣相沉積技術在橡膠表面制備碳薄膜，然后將mxene基二維材料與其他二維材料進行插層處理制備二維插層材料，最后將其噴涂至碳薄膜表面而得。

2.一種如權利要求1所述快速超低摩擦橡膠表面層的構筑方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.如權利要求2所述快速超低摩擦橡膠表面層的構筑方法，其特征在于，步驟1）中，所述橡膠基底為丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、硅橡膠及三元乙丙橡膠中的一種，橡膠表面粗糙度≤200nm，橡膠厚度為2~4mm。

4.如權利要求2所述快速超低摩擦橡膠表面層的構筑方法，其特征在于，步驟2）中，所述非晶碳薄膜為含氫或不含氫非晶碳薄膜，薄膜厚度為500nm~1.0μm。

5.如權利要求2所述快速超低摩擦橡膠表面層的構筑方法，其特征在于，步驟3）中，所述mxene基二維材料為ti基、v基、mo基mxene中的一種或幾種；其他二維材料為石墨烯基、二硫化鉬、氮化硼中的一種或幾種；mxene基二維材料與其他二維材料質量比為1~1.5:1，所述有機溶劑為無水乙醇、丙酮中的一種。

6.如權利要求2所述一種快速超低摩擦橡膠表面層的構筑方法，其特征在于：所述碳薄膜預熱溫度為80~100℃，噴槍工作壓力為2~4mpa，噴槍勻速移動速度為2~4厘米/秒，噴嘴距離基底20~30cm。

技術總結
本發(fā)明一種快速超低摩擦橡膠表面層及其構筑方法，是利用氣相沉積技術在橡膠表面制備碳薄膜，同時將MXene基二維材料與其他二維材料進行插層處理制備二維插層材料，最后將其噴涂至碳薄膜表面而得。本發(fā)明二維插層材料在摩擦法向載荷作用下會迅速形成異質結配副，從而有效縮短摩擦磨合時間，進而快速實現超低摩擦特性。該過程不受摩擦載荷、環(huán)境等其他外界因素影響，可適用于多種復雜應用工況。本發(fā)明工藝過程易于控制，可操作性強，獲得的橡膠表面極短時間內便可實現超低摩擦，易于實現大面積工業(yè)化應用。

技術研發(fā)人員：強力,高云龍,魏彤,任俊輝,閆曉鋒,梁愛民
受保護的技術使用者：中國科學院蘭州化學物理研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6