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金属基自润滑复合材料由于其优异的减摩耐磨特性，广泛应用于一些不宜采用油或油脂润滑的特殊工况下。自润滑复合材料在实际使用过程中，固体润滑剂会在摩擦表面富集，形成润滑膜，显著降低摩擦副的摩擦系数，并为摩擦过程提供长期有效的润滑。对于金属基自润滑复合材料，固体润滑剂的含量对材料的摩擦学性能影响最为显著，随着润滑剂含量的增加，释放的润滑剂颗粒越多，有助于形成连续的润滑膜。因此，明确润滑剂含量与摩擦系数之间的关系，对设计具有优良摩擦学性能的自润滑复合材料至关重要。由于润滑膜较薄且不连续的特性，以及磨损表面粗糙度大等因素，润滑膜在摩擦表面覆盖率的表征极为困难，导致难以建立准确的润滑剂含量与润滑膜覆盖率的定量关系。因此，有必要研究润滑膜的形成过程和对摩擦行为产生影响的作用机制，特别是实现润滑膜覆盖率的定量表征，从而实现建立润滑剂含量、润滑膜覆盖率与摩擦系数的内在关系。
为了确定润滑剂含量、润滑膜覆盖率和摩擦系数之间的内在关系，本文按以下逻辑开展研究：建立金属基自润滑复合材料的摩擦模型；基于XPS剖层分析方法，定量表征金属基自润滑复合材料磨损表面上的润滑膜覆盖率；获得润滑剂含量、润滑膜覆盖率和摩擦系数的关系；通过实验结果验证，证明了XPS定量分析和金属基自润滑复合材料的摩擦模型是可靠的。
（1）建立并验证了金属基自润滑复合材料的摩擦模型。通过研究固体润滑膜在摩擦表面的形成过程，并分析了金属基自润滑材料的三种接触形式对摩擦行为的影响（表1），推导出金属基自润滑材料摩擦系数的计算公式：
μ = (1 - kV)2 μm + [1 - (1 - kV )2]μf
式中：μm为金属基体的摩擦系数；μf为润滑膜的摩擦系数；V为复合材料中固体润滑剂的体积分数；k为润滑剂的润滑效率。
表1 金属基自润滑复合材料的接触模型
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接触模型 |
金属–金属 |
金属– 润滑膜 |
润滑膜– 润滑膜 |
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示意图 |
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接触率 |
αmαm |
2αmαf |
αfαf |
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接触率 |
(1 – kV)2 |
2(1 – kV)kV |
(kV)2 |
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摩擦系数 |
μm |
μf |
μf |
（2）利用XPS剖层分析技术实现了润滑膜覆盖率的定量表征。XPS定量表征润滑膜覆盖率示意图如图1所示，通过定量表征润滑膜覆盖率，确定了摩擦系数、润滑膜覆盖率和润滑剂体积分数之间的关系：润滑剂体积分数和润滑膜覆盖率满足方程αf = 22V0.33，润滑剂体积分数和摩擦系数满足方程μ = (1 – 22V0.33)2 × 0.76 + [1 – (1 – 22V0.33)2] × 0.1。
图1 XPS定量表征润滑膜覆盖率示意图
为金属基自润滑复合材料建立了润滑剂含量和摩擦系数的关系，可为自润滑复合材料的设计与开发提供理论指导；所开发出的XPS剖层分析技术为深入了解自润滑材料的摩擦行为提供有力的技术支持。
肖金坤，扬州大学机械工程学院讲师。2015年获中南大学博士学位，2019–2020年在University of California，Merced 进行访问研究。主持国家青年基金、江苏省青年基金等项目，研究领域包括粉末冶金材料、减摩耐磨材料和摩擦学，开发了TriboStudio高性能桌面级摩擦磨损试验机。
吴雨晴，扬州大学机械工程学院在读硕士研究生。研究领域包括金属基自润滑复合材料和高熵合金涂层材料。
张伟，扬州大学机械工程学院在读硕士研究生。研究领域包括金属基自润滑复合材料和热喷涂技术。
陈娟，扬州大学测试中心助理研究员。2016年获中南大学博士学位。主持国家青年基金、中国博士后基金等项目，研究领域包括耐磨合金、高温合金、热力学、动力学和微观结构分析。
张超，扬州大学机械工程学院教授，江苏特聘教授计划和江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目入选者。2014年组建扬州大学表面工程研究所，研究领域包括气体传感器、耐磨涂层材料和热喷涂技术。获江苏省教育科学研究成果奖三等奖和中国材料研究学会科学技术奖二等奖。
期刊简介
Friction（《摩擦（英文）》）是清华大学主办的国内首个摩擦学领域的国际性学术期刊，旨在发表和出版涵盖接触、摩擦、磨损、润滑、表面粘着和界面科学跨学科的创新性研究论文及专题性综述文章，致力于为国内外摩擦学和表面界面科学领域的学者搭建一流的国际学术交流平台，促进摩擦学在中国和国际学术界之间的交流和发展。其2019年度影响因子为5.290，在国际摩擦学领域15余种SCI-E数据库收录期刊中排名第一，成为我国乃至亚洲首个进入全球机械工程领域前10名的国际学术期刊（大类学科排名前8%），2020年在线发文量超过160篇。
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