金属衬背型自润滑复合材料及其摩擦性能研究进展*

林羽东 黄齐韧 郭智威

(1.武汉理工大学能源与动力工程学院 湖北武汉 430063;2.国家水运安全工程技术研究中心,可靠性工程研究所 湖北武汉 430063)

随着我国综合国力的不断增强，在工业化过程中如何实现能源的高效利用便成为了迫切需要克服的一大难题。而摩擦磨损所带来的问题是工业化过程中所不能忽视的，其不仅会导致不必要的能量损耗还会造成机械零部件的失效。目前能有效解决此类问题的其中一个方法是在摩擦副表面赋予一层减摩耐磨的薄膜或涂层[1]。传统润滑多是通过利用润滑油、润滑脂等作为润滑介质进行降摩减磨，而随着现代化工业的不断进步与现代化科技的持续发展，越来越多的摩擦副要求在真空、高温和重载等苛刻工况条件下工作，而由于受限于高蒸汽压、低使用温度、低承载等特点，润滑油脂难以适用于这些极端环境下的润滑[1-2]。

为解决上述问题，人们将固体润滑剂加工并作用于摩擦界面，通过固体润滑剂的作用降低摩擦并减少磨损，从而改善材料的摩擦环境。这种利用固体润滑剂对摩擦界面进行润滑的技术统称为固体润滑技术[3]。目前人们所使用的固体润滑剂种类很多，润滑机制也不尽相同。常见的自润滑介质包括石墨、MoS2、PTFE、WS2等。而通过将自润滑型复合材料与金属材料进行混合制成金属衬背型复合材料不仅能有效实现轻量化，并保证结构强度[4]，而且其自润滑涂层还可以提供良好减摩耐磨性能，是一种较为理想的摩擦自润滑复合材料。

本文作者评述近年来金属衬背型自润滑复合材摩擦特性的研究进展，并对金属背衬复合材摩擦特性研究的发展方向进行展望。

1 金属衬背型自润滑复合材料

图1所示为金属衬背型自润滑复合材料结构。金属衬背型自润滑复合材料既能使基体金属的性质得以保留与发挥，同时也使置于金属衬背上固体润滑剂的优良性能得以表现[5]。一般来说，复合材料的摩擦学性能是由每个组分的特性所共同决定的。由于金属衬背型自润滑复合材料基于不同的制备工艺而分为不同的形式，故其组分也略有异同。目前其制备工艺大致分为胶结成型、激光熔覆、微弧氧化、粉末冶金等，其中基于界面胶结成型的纤维织物树脂基金属衬背复合材料，其组分主要包括金属衬背、树脂黏接剂、纤维织物与填料等；基于微弧氧化、激光熔覆、金属烧结等工艺制备的复合材料，其组分主要为金属衬背与填料等。

图1 金属衬背型自润滑复合材料结构Fig 1 The structure of metal-backed self-lubricating composite

在不易或无法进行油脂更换，或在掺杂水、空气、杂质、热能等较易使油脂产生氧化变质的工作环境如船舶甲板机械、电机、船舶液压设备中，使用自润滑轴承能更大程度上保证机械工作的稳定性与安全性。

1.1 金属衬背

自润滑材料轴承技术是目前润滑技术的一大发展趋势，开发力学强度高和摩擦学性能好的自润滑复合材料成为摩擦学领域的重要热点[6]。

金属衬背在复合材料中主要起支撑与强化作用，基于不同的金属种类，其能提供良好的机械强度、韧性与硬度；同时不同金属的导电性能和高温性能也会对复合材料的综合性能带来显著影响，进而也能很大程度上影响复合材料的摩擦磨损性能[7]。目前，研究和应用广泛的固体自润滑复合材料金属衬背有铜基、铝基、钛基、钢基等。

CABEZAS-VILLA等[8]通过在铜基板上固态烧结制备了Cu-WC涂层，通过观察其横截面微观组织发现：当WC体积分数大于20%时颗粒会发生团聚进而导致复合材料孔隙率较大，导致其摩擦学特性不够理想；当增强颗粒的体积分数超过10%时复合材料摩擦因数基本较高(而5%与20%除外)；材料磨损率在大部分情况下随着载荷的增加而增加，但发现当增强颗粒填充20%时其耐磨性有所增强，分析其原因是作为第二相的增强硬质颗粒可以充当负载载体，阻碍软质基质的流动并减少了材料的损失。

王玉洁等[9]通过微弧氧化在LY12铝合金表面制备了Al2O3/BN自润滑复合膜层，通过实验发现：当材料中BN颗粒体积分数较低时，随着BN颗粒体积分数与摩擦持续时间的增加，复合材料的摩擦因数有明显下降的趋势；当BN体积分数达到10%，摩擦时间达到120 min时，摩擦过程相对稳定，摩擦因数也基本不再变化。

张年龙等[10]通过预置B4C和石墨混合合金化粉末，使用激光表面合金化技术在钛合金表面制备了一层TiB2-TiC陶瓷涂层，通过使用SEM观察和实验发现：陶瓷涂层与基体结合良好，陶瓷层由多相组成并起协同作用，其平均硬度为基体的4.7～5.3倍，磨损率仅为基体的1/20～1/25；由于加入了石墨，其润滑性也得到增强，涂层的摩擦因数仅为基体的2/5～1/2。

MUNAGALA等[11]通过冷喷涂在低碳钢基底上沉积了Ti3Al4V涂层和Ti3Al4V-TiC金属基复合材料涂层,并研究了其在25～575 ℃环境中的干摩擦特性，结果表明：在高温条件下，2种复合材料的摩擦轨迹上生成了由TiO2、WO3和CoWO4组成的氧化釉层，从而导致复合材料的磨损率在高温下较低；2种复合材料的摩擦因数随温度的升高而降低，在200 ℃以下，两者的摩擦因数不会随温度而发生显著变化，而在较高温度的情况下，由于生成了氧化釉层增强了润滑，摩擦因数因此得到了降低。

通过复合金属衬背，材料往往能被赋予更优秀的力学性能。从上述学者的研究结果不难看出：润滑填料与金属间通过互相补偿，一方面能使材料的硬度得到提升，从而降低其磨损率；另一方面润滑填料的存在能使材料摩擦因数相比纯金属得到大幅下降。除此之外，金属衬背型自润滑复合材料对金属衬背的种类没有太多的限制，且不需对其进行过多的处理，使其制作较为方便。值得指出的是，由于科技的不断发展与技术的进步，应用于不同场所的材料在机械性能与轻量化方面提出了更高的要求，且目前没有一种金属衬背能在较宽的温度范围下适用，这两点将是日后金属衬背的研究重点。

1.2 填料

填料的加入能够进一步改善复合材料的热性能、力学性能和摩擦磨损性能等机械物理性能。如石墨、PTFE 、MoS2、UHMWPE等填料具有良好的自润滑作用，在摩擦过程中能通过分子间剪切和滑移作用粘附在对偶材料上并在对偶表面形成一层低摩擦因数转移膜，使摩擦过程转为润滑填料间的对磨，从而降低复合材料的摩擦因数和磨损率[12]。

钱刚[13]通过粉末冶金热压制备了Cu-C-WS2(铜-石墨-二硫化钨)复合材料，并通过改变其中石墨和WS2的含量进一步探究了其滑动电磨损特性，结果表明：复合材料中石墨与WS2能通过产生固体润滑膜协同润滑；WS2质量分数保持在10%～15%时能获得较好的摩擦学特性，其中质量分数20%石墨与10%WS2的加入能使材料综合摩擦磨损性能达到最佳。

甄明晖等[14]用纳米蒙脱土对PTFE进行改性，通过模压/烧结工艺制备了PTFE/铝合金镶嵌型自润滑复合材料,并与PTFE非镶嵌型自润滑复合材料试样进行了对比，结果表明：其导热性与耐磨性与非镶嵌型复合材料相比较优，而在达到稳定磨损状态后，对偶面上形成了稳定的润滑膜，摩擦因数为0.087。可见，摩擦因数没有随着铝合金背衬的加入而明显增加，表明两者结合发挥了铝合金背衬的导热性与PTFE优秀的润滑性能。

孙瑞敏等[15]研究发现，无机填料和金属氧化物填料如TiO2、ZrO2、SiC和CuO 、ZnO等材料，填充到不同的聚合物基体中能明显增加其耐磨性。

ABD-ELWAHED等[16]通过粉末冶金方法制备了Ti-ZrO2纳米复合材料，通过改变ZrO2在复合材料中的含量，发现随着Ti基体中ZrO2含量的增加，复合材料晶粒尺寸减小，从而提高了其硬度，磨损率也相应降低；而载荷的增加会导致复合材料中压痕深度的增加，从而使摩擦因数上升。

HUANG和ZHAO[17]用环氧树脂在304不锈钢表面制备了HBN纳米片、TiO2和HBN-TiO2环氧树脂增强复合涂层，通过实验发现：复合涂层能给基体材料带来显著的力学性能提升，特别是在硬度和拉伸强度方面，并使复合涂层的耐磨性显著提高，其中HBN-TiO2/EP复合材料磨损率较纯环氧树脂涂层降低了65.8%;通过添加二维材料(HBN)能够通过层间滑移降低摩擦因数，且归因于TiO2的承载能力和自润滑作用，HBN-TiO2/EP复合材料表现出优异的减摩性能。

目前填料的研究对象除了种类与含量外，填料尺寸对复合材料性能的影响也引起了学者们的注意，许多学者都对微米和纳米尺寸填料填充复合材料的摩擦性能进行研究。一般情况下，填料尺寸越小对复合材料摩擦磨损性能的改善则越显著，纳米粒子填充的聚合物复合材料在多数实验条件下都能表现出较优的性能[18]。但随着尺寸的不断减小，填料粒子在聚合物基体中的分散性问题和团聚现象是需要关注和解决的。

CHANG等[19]通过热压在UHMWPE基体中分别添加微米和纳米级ZnO并对其干摩擦特性进行了研究，结果表明：在UHMWPE基体中掺入不同质量分数的微米和纳米ZnO可以改善复合材料的磨损性能，但对平均摩擦因数影响不大；与微米ZnO/UHMWPE复合材料相比，纳米ZnO/UHMWPE复合材料表现出更好的界面附着力和磨损性能，具有更光滑的磨损表面和有相对均匀和光滑的转移膜。

穆立文等[20]通过在PTFE/PEEK复合材料中添加不同体积分数的纳米和微米TiO2对其摩擦特性进行了研究，通过实验发现：纳米TiO2填充的PTFE/PEEK复合材料在TiO2体积分数较低时，在不同载荷下其接触面温度比微米填充的复合材料更低，且更平稳；在不同滑动速率下，纳米填充复合材料的摩擦磨损性能更优,这是因为摩擦过程中脱落的纳米颗粒在摩擦表面形成滚珠效应，从而使纳米填充复合材料性能更优。

以上所述的填料大多为颗粒填充物，而由于碳纤维、高强玻璃纤维和超高分子量聚乙烯纤维等一系列高性能纤维能赋予复合材料高比强度、高比模量、低密度、抗疲劳和良好热稳定性等传统填料所不具备的优点[21-22]，基于此，许多学者对聚合物基纤维填充复合材料也进行了深入的研究。

张艳和郭芳[23]用酚醛树脂热压在45钢表面制备了UHMWPE 纤维织物复合材料，并研究了其在干摩擦、海水与润滑油介质中的摩擦磨损性能，发现由于海水和润滑油可以在摩擦界面形成一层摩擦润滑膜，故减小了复合材料的摩擦因数，但复合材料在这2种情况下的磨损率却大于干摩擦，认为水分与油液进入了黏接界面造成纤维织物与树脂黏接性能下降，故造成其抗磨性能下降。

LI和GUO[24]使用原位生长法在空气等离子体刻蚀后的UHMWPE纤维表面制备了PTES-TiO2/UHMWPE织物复合材料，并通过PTO对其进行修饰。在干摩擦条件下对其进行实验发现：随着PTO含量的增加，复合材料的摩擦因数略微下降；由于UHMWPE与填料的协同作用，摩擦界面由滑动接触变为滚动接触，使复合材料具有较好的耐磨性。

通过加入不同的润滑填料，能使复合材料表现出不同的特性，使其摩擦学特性与力学性能得到提升。当加入的填料具有在剪切力的作用下容易发生滑移的特性且具有较好的黏附性时，其加入一般能使复合材料具有较好的润滑性能；而通过加入部分硬质颗粒则能较好地解决材料磨损率较大的问题。除了传统颗粒填料外，纤维材料也是目前的研究热门。纤维的加入能很好地起到承载的作用，使填料间结合较为牢固并不易脱落，并能在一定程度上能提高复合材料的耐磨性。此外，填料尺寸的大小对摩擦学性能的影响也得到了大量研究，纳米填料具有尺寸小、比表面积大的特点，当其被引入复合材料且分散较好时，能使润滑层的摩擦学性能大幅提升。一般来说，粒子尺寸越小，对复合材料的性能改性效果越好。目前在填料研究方面存在的问题主要是不同工况下填料改性、多填料混合配比研究不足，大都为单一填充研究，且目前主要研究手段以现象解释为主。由于填料自身性质的不同，其在不同工况下的多种类混合、尺寸选择与含量配比仍是今后研究的一大重点。

2 金属衬背型复合材料的制备

金属衬背型复合材料与金属基复合材料有些相似但又不尽相同，粉末冶金、整体烧结、搅拌铸造等金属基复合材料的制备工艺是直接将润滑填料加入熔融态金属衬背，然后冷却成型，而金属衬背型复合材料则是通过一系列手段在金属衬背表层赋予润滑层，并且不需要对金属进行重新浇铸成型。金属衬背型复合材料的制备工艺较多，目前应用较多的为黏接处理、激光熔覆以及微弧氧化等工艺。

2.1 黏接处理

黏接是通过机械互锁、物理吸附和化学黏合将物体连接在一起的过程，其中影响黏接质量的因素较多，包括黏接材料的性质和表面状态，固化剂的性能，黏接剂自身的性能，胶液对被黏物的湿润能力，被黏物与黏接剂形成的界面性能等，由于原料较易获取且制备过程不太复杂，其已广泛用于复合材料的连接[25-26]。一般来说，使用黏接处理制备金属衬背型复合材料较为灵活，在连接之前需要对被黏件进行仔细的表面处理，并且在施胶后需要静置一段时间或者采用热压等方式让其固化。常用黏接剂分为热塑性和热固性树脂，包括聚氨酯、聚酰亚胺、环氧树脂、酚醛树脂、芳香族环聚合物树脂等。

刘宇飞等[27]使用酚醛树脂将PTFE/Kevlar双层织物与GCr15黏连，并研究了热压过程中黏接压力对摩擦磨损性能的影响。结果表明：在采取的0.1、0.2、0.3和0.4 MPa 4种热压压力中， 0.3 MPa热压压力能使复合材料的摩擦因数和磨损率最低：当热压压力不大于0.3 MPa时，随着热压压力的增加，复合材料的摩擦因数与磨损率都随之下降；而当热压压力大于0.3 MPa时，摩擦因数和磨损率都随着热压压力的增大而增大，但在0.4 MPa条件下制备的复合材料摩擦学特性都远优于0.1与0.2 MPa条件下制备的复合材料。

郭贤文[28]对45钢进行磷化处理并使用环氧树脂在其表面制备了由纳米石墨与纳米MoS2组成的固体润滑膜，并对以下方面进行了研究：通过加入不同含量的650低分子聚酰胺固化剂探究树脂基复合材料黏接质量；通过加入不同质量分数的填料探究其摩擦学特性。通过实验发现：磷化处理不仅可使黏接强度得到提升，还能使摩擦因数与磨损率有所下降；随着650 低分子聚酰胺加入量的增加，材料拉伸剪切强度也相应有所提高，材料因此也具有良好的固化性能；同时纳米石墨和纳米二硫化钼在降低摩擦因数和提高耐磨性方面具有协同作用，通过SEM扫描进一步发现加入碳纤维粉末能有利于润滑转移膜形成，可进一步降低复合材料摩擦因数及磨损率。

LI等[29]以聚酰亚胺作为树脂基体，纳米Si3N4和亚微米WS2为填料，将PTFE/Kevlar混编织物粘接在不锈钢上制备了复合材料，并通过实验观察复合材料的摩擦学特性，结果表明：纳米Si3N4的加入能有效降低复合材料的磨损率，而亚微米WS2的加入能使复合材料的摩擦因数和磨损率都有效下降，其中质量分数7.5% WS2和12.5% Si3N4的加入能使复合材料摩擦学性能达到最佳。通过SEM扫描发现,加入纳米颗粒可以抑制较大碎屑的形成；摩擦界面形成的转移膜较均匀且充满润滑填料，防止了对偶件与织物复合材料之间的直接接触，而润滑膜中的纳米填料能起滚动作用，进一步降低了材料磨损。

通过树脂黏接制备复合材料，由于其制备成本低，成品性能较为稳定，故得到了广泛研究，但要考虑填料在树脂中的分散性与浸润性，且为了提高其黏接性通常还需对金属衬背进行表面处理。另外，由于黏接剂在高温下较易产生热裂纹与脱落从而导致黏结磨损，如何配置黏接剂并与金属衬背结合共同扩大复合材料的温度使用范围，是目前主要存在的问题与需要进一步研究的内容。

2.2 激光熔覆

激光熔覆技术是一项新兴的先进表面改性技术，其通过高能激光束扫描熔覆材料，并以不同送粉方式在被熔覆工件表面添加选择的涂层材料，使得其与基材表面薄层同时熔化，发生互扩散和化学反应，形成与基体具有牢固冶金结合的涂层，从而增强基体的抗疲劳性、抗氧化性、耐磨损等性能[30-31]。激光熔覆精度高，可控性好，能量密度高度集中，适合于对精密零件或局部零件进行处理，可以处理的熔覆材料范围广、品种多，故在制备金属衬背型复合材料中运用也较为广泛[32]。在这项技术中，具有优良抗腐蚀性、耐磨性的的Ni 基、Fe 基等合金均被广泛使用，而对添加何种填料进行熔覆能使不同金属基复合材料获得较好的摩擦学特性，是目前较为热门的研究方向。

WU等[33]通过激光熔覆技术在铝合金表面制备了纳米石墨烯结构，通过实验探究滑动速度和载荷对复合材料摩擦学性能的影响，结果表明：均匀分散加入到复合材料中的纳米石墨烯片能起位错增强和载荷增强的作用，使复合材料的强度和硬度得到增强，并且随着滑动速度的增加，其磨损率也相应降低；归因于纳米石墨烯的自润滑特性，使得在磨损过程中摩擦界面易于形成自润滑膜并有效地减小了摩擦，其摩擦因数也随着滑动速度的增加而降低。

SONG等[34]通过激光熔覆在铸造的K403基板上制备K403涂层，研究了工艺参数对K403合金组织和磨损性能的影响，发现：经过处理的K403涂层的磨损率和摩擦因数分别仅为基材K403的41%和70%，随着激光功率的增加，K403涂层的尺寸也会增加，同时显微组织逐渐粗化，生长方向趋于规则，而显微硬度随激光功率的增加则表现为先增后减；复合材料的磨损性能较未覆盖涂层前得到显着改善，其中双层涂层获得了最佳的耐磨性。

刘秀波等[35]利用Ti-TiC-WS2复合粉末通过激光熔覆在TA2合金表面制备了一层自润滑涂层，并且在不同温度下测试对比了复合材料与基体材料的摩擦学特性，结果表明：复合材料的耐磨减摩性能在所有实验温度下表现均比基体材料好，复合涂层在250 ℃条件下摩擦因数达到最低，在500 ℃条件下材料磨损率最低；其磨损机制也随着温度而不断变化，润滑效果在高温下较低。

通过激光熔覆制备的复合材料优点是润滑层与金属衬背结合较为牢固，且可自定义加工区域，但制备过程中需要注意激光功率、熔覆速度等参数；作为一种新型制备工艺，其目前得到了广泛关注，但在实现能场分布、成型精度、送料沉积等工艺方面仍需加强；同时对材料的缺陷控制与对应性能研究等也需得到进一步研究。

2.3 微弧氧化

微弧氧化是一种通过特殊工艺处理使金属衬背表面产生陶瓷膜层的技术。其工艺为：将铝、镁、锌、钛等金属及其合金等材料置于电解液中，金属受到端电压的作用而在溶液中产生微弧放电并与溶液中的氧结合，从而使金属衬背表面生成陶瓷膜层[36]。该方法弥补了传统阳极氧化的不足，相比一般的阳极氧化处理方法得到的膜层的孔面积相对较小，使获得的膜层性能更优[37]。微弧氧化不仅能提高材料的摩擦学性能，还能提高其耐腐、耐热等性能，且加工效率较高，故为一种运用较为广泛的金属表面处理技术。

谢延楠等[38]采用纳米MoS2与SiC分别作为减摩耐磨添加剂添加到电解液中，在铝合金表面制备了MoS2/SiC复合微弧氧化层，其认为MoS2的加入一方面能使复合材料表面微凸体减少，表面粗糙度下降，另一方面能使摩擦界面形成转移膜进一步降低摩擦因数，故通过微弧氧化处理后的复合材料摩擦因数更低且平稳；而加入SiC能使复合材料氧化层硬度增加，磨损量较未经处理的合金降低了32.65%，证明通过微弧氧化添加的2种添加剂能有效改善铝合金摩擦学特性。

宁闯明等[39]研究了氧化时间对镁合金微弧氧化涂层结构及性能的影响，通过实验发现随着氧化时间的增加，复合材料表面的粗糙度也不断增加，从而导致其摩擦因数增大，且复合材料摩擦因数均大于空白镁合金基体的摩擦因数；而通过微弧氧化使得复合材料的磨损率大幅减小，但由于其粗糙度随氧化时间延长而增大，导致其磨损率随着氧化时间的延长，呈现先增加的趋势，但随着涂层硬度的增加，其磨损率增大的趋势得到抑制并在一定氧化时间后开始降低，综合来看其磨损率在15 min后得到了下降，达到25 min时复合材料磨损率与5 min时相差不大。

通过微弧氧化制备复合材料工艺较复杂，其具有更多的处理过程，制备成本更高，难以实现大面积加工，但其制备较为环保，生成的氧化陶瓷膜硬度较高且性能较为稳定。目前其研究过程中存在的问题与需要进一步研究的方向主要是，如何通过控制工艺参数与电解液成分进而优化陶瓷层厚度、孔隙率与致密层，以适应不同的工况要求，并同时对金属衬背与陶瓷层的结合强度进行兼顾。

3 金属衬背型复合材料的摩擦磨损机制

通过观察金属衬背型自润滑复合材料及对偶件摩擦面磨损后的表面形貌，是目前分析其摩擦磨损机制的主要手段，一般是通过观察两者的SEM微观结构。为了更进一步证实材料的磨损机制，EDS及红外光谱图等辅助手段也常常得以使用。在摩擦过程中，由于存在压力和剪切力，材料表层中的自润滑复合材料最先承力，在其与金属衬背结合良好的情况下，通常会被消耗磨损变薄，并附着在对偶件表面上，从而形成转移膜降低摩擦因数。而当表层自润滑材料与金属衬背结合不佳时，其会在摩擦过程中脱落，材料中存在的硬质颗粒则会充当磨粒加剧磨损，导致复合材料摩擦稳定性差、磨损严重。

REN等[40]以MoSi2作为抗氧化剂填充到PTFE/Nomex织物/酚醛复合体系中并将其粘接在45钢表面制成了复合材料，探究了MoSi2、空气等离子处理纤维对复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：纯纤维复合材料、仅添加MoSi2的复合材料、经过空气等离子处理且添加MoSi2的复合材料三者摩擦因数差别不大，均在0.05～0.1范围内，表现出较好的减摩特性。但纯纤维复合材料磨损性能较差，观察图2(a)可以看出，其磨损表面上发生了纤维切断现象和数值的分离；而仅添加MoSi2的复合材料磨损率明显降低，观察图2(b)可发现，磨损表面几乎没有暴露和断裂的纤维，只有轻微的树脂损坏；经过空气等离子处理且添加MoSi2的复合材料磨损率最低，从图2(c)可发现,磨损表面还保留了较厚酚醛涂层，几乎没有微裂纹的存在，证明MoSi2与对纤维进行空气等离子处理在减少磨损方面表现为协同作用，能在保持材料较低摩擦因数的情况下减小磨损率。

图2 3种复合材料的磨损表面的SEM图像(测试环境温度、施加载荷、滑动速度分别为260 ℃，188 N,0.131 m/s)[40]Fig 2 SEM images of the worn surfaces of the three composite materials(the ambient temperature,applied load and slidingspeed during the test are 260 ℃,188 N and 0.131 m/s respectively)[40](a)pure fiber composite;(b)composite with MoSi2;(c)air plasma treated composite with MoSi2

周先辉等[41]使用碳纤维与聚四氟乙烯纤维混编织物并通过热压在45钢表面制备了环氧树脂基自润滑复合材料，通过实验对其干摩擦特性进行了考察，结果表明：PTFE纤维随着摩擦过程不断磨损并附着在树脂基体及对偶件表面，形成了具有减摩作用的转移膜层，较大程度上提高了环氧树脂复合材料的摩擦学特性，在这个过程中其表现为疲劳磨损；随着摩擦的进行，材料中破损的碳纤维逐渐破坏转移膜，并产生摩擦高温，使摩擦环境逐渐恶化，并在对偶件表面发生氧化磨损，最终摩擦面产生磨粒并通过磨粒磨损使材料失效。

王成龙等[42]以钢背、铜粉和PTFE制备成三层金属衬背型复合材料，将其与钢铁材料、有色金属以及聚合物材料进行配副并分析其对应摩擦磨损机制。结果表明：复合材料与钢铁和聚合物材料进行配副时主要磨损机制均为剥层磨损，摩擦因数较小，而与钢铁材料配副时磨损率较小，故为最佳配副材料；与有色金属配副时材料发生了黏着磨损，故造成摩擦因数与磨损率较大，配副性能最差。

不同材料、不同工况制备的金属衬背型复合材料，其摩擦磨损机制都不尽相同，但其大都通过在对偶面形成转移膜从而降低摩擦因数，而随着不同的摩擦形式其失效形式也会存在差异，如干摩擦情况下较易发生黏着磨损，油润滑、水润滑下易发生磨粒磨损等。 对金属衬背型复合材料的摩擦学性能研究较少涉及针对润滑层失效的研究，且目前对摩擦磨损机制研究主要仍是以润滑层现象分析为主，较少结合环境与金属衬背在材料摩擦过程中发挥的作用，未来研究应考虑这两者对材料整体摩擦学特性造成的影响。

4 研究展望

经过近年的研究，国内外学者在金属衬背型自润滑复合材料的组分构成、制备工艺和摩擦磨损机制方面做了大量的理论和实验研究，并取得了一定的成果。但随着金属衬背型自润滑复合材料在摩擦学领域的迅速发展与应用，其研究仍面临着诸多挑战，其未来的研究方向建议从以下几个方面开展：

(1)金属衬背的种类选取。由于复合材料中金属衬背往往起到力学性能增强的作用，因此所选取的金属衬背应使复合材料在不同应用场所具备更优越的综合性能，并通过对金属衬背的不同处理使复合材料能在较宽的温度范围内使用以适应不同工况下的摩擦学应用。

(2)填料的混合填充机制与改性处理。由于复合材料的摩擦学特性主要由润滑层决定，对金属衬背型自润滑复合材料的研究仍主要集中于填料层，目前对于填料的研究大都为单一填充研究，且填料尺寸也将影响复合材料摩擦学性能，未来需对多种类填料混合、填料尺寸选择与含量配比进行进一步的研究。

(3)金属衬背型自润滑复合材料的制备工艺需进一步完善。为使润滑层制备均匀以提升复合材料摩擦学性能、提高润滑层与金属衬背的结合强度、减少复合材料成品缺陷增加材料可靠性等，对现有制备技术的改进以及新兴制备工艺的研究开发均为较为重要的发展方向。

(4)需对复合材料的摩擦磨损机制进行进一步系统的研究。目前对复合材料的摩擦磨损机制研究较少涉及润滑层的失效机制，且较少结合环境与金属衬背在摩擦过程中发挥的作用，未来研究应对这两方面进行更深层次的考虑。