摘 要

本文主要研究沥青基固体润滑材料的制备和性能研究，具体包括沥青基固体润滑材料的配方设计、优化及成型工艺的研究。首先通过一些较简单的控制单一变量的试验选取石墨和沥青的最佳比例作为沥青基固体润滑材料的基材，然后在上述基材中添加硅灰石、碳纤维和铜粉等作为添加剂来改善沥青基固体润滑材料的抗弯、抗压、密度、磨损量、硬度和导电性等性能，在选取石墨沥青、硅灰石、碳纤维和铜粉的比例时采用均匀设计的方法，再对均匀设计选取方案得到的结果使用DPS和LINGO进行数据处理来减少实验次数和提高实验的准确性并得到实验的最优化比例，最优进行工艺优化，工艺优化首先要做一个简单的基础试验用来选取浸渍剂的种类和浸渍剂浓度，然后采用正交分析的方法设计工艺条件，通过对各工艺下的磨损量、抗弯强度和抗压强度性能的测试对比及数据分析最终得到最优化的合成工艺。实验结论如下：

(1)通过对石墨和沥青比例的选取试验得到石墨和沥青的最佳比例为1:0.8；

(2)针对石墨沥青、碳纤维、硅灰石、铜粉几种原料进行均匀设计，选择磨损量、抗弯强度和抗压强度为固体润滑材料的主要性能指标，试验结果用DPS和LINGO方法进行数据处理，得出最优比例为石墨沥青：碳纤维：硅灰石：铜粉=81:4.9:3.4:10.7。

(3)IR测试表明在3423.56cm^-1有明显吸收峰，此处为沥青原料中所含的羟基键，其他的峰也佐证了经焙烧后的物质里面残留的有机物质主要是沥青基所拥有的。

(4)TG表示在580℃以后开始出现质量损失，676.8℃质量损失最大，此处质量损失最大的原因是第一次焙烧未有反应完全的残留物在TG阶段又进行了反应。

(5)以最优化配方作为浸渍试验，得到浸渍剂种类和浓度为：8%的浸渍剂沥青。通过正交试验设计，得到热压温度为200℃，浸渍温度90℃，浸渍时间45min，在此试验条件下得到的试样抗弯强度、抗压强度和磨损量都较好。

(6)摩擦实验和氮吸附性能表征表明：浸渍后有部分孔隙被浸渍剂填满，但是浸渍后的磨损量和摩擦系数也有一个较小幅度的增加，这说明浸渍后浸渍剂会对试样的磨损量和摩擦系数有一定影响。

关键词：沥青，固体润滑材料，配方，均匀设计，工艺

Abstract

This paper mainly studies the preparation and performance of asphalt base solid lubricating material, including the formula design, optimization and forming process of solid lubricant. First of all through the best proportion test some simple single control variables of graphite and asphalt as base material of asphalt base solid lubricating material, then adding wollastonite, carbon fiber and copper powder on the substrate as additives to improve the asphalt base solid lubricating material bending, compressive strength, density, wear, hardness and conductivity performance, uniform design method used in the selection of graphite asphalt, wollastonite, carbon fiber and copper powder proportion, the uniform design scheme selection results obtained using DPS and LINGO data processing to reduce the number of experiments and improve the accuracy of the experiment and get the optimal proportion of the experiment, the optimal process optimization, process optimization the first thing to do a simple experiment to select the impregnant type and concentration of solvent, and then by the method of orthogonal analysis. The process conditions were measured, and the optimum synthesis technology was obtained by comparing the wear capacity, bending strength and compressive strength of each process. The experimental results are as follows:

(1) the optimum ratio of graphite and asphalt to the graphite and asphalt ratio was 1:0.8;

(2) for asphalt graphite, carbon fiber, wollastonite and copper powder, several kinds of raw materials of uniform design, the choice of wear, bending strength and compressive strength as the major performance indexes of the solid lubricating material, the test results with DPS and lingo method for data processing, the optimal proportion reached the asphalt graphite: carbon fiber: wollastonite copper powder =81:4.9:3.4:10.7.

(3) IR test showed that in 3423.56cm^-1 has a obvious absorption peak, here for the asphalt material containing the hydroxyl bond, the other peaks also corroborated the calcined material inside the residual organic matter is mainly asphalt base has.

(4) TG said that after the beginning of the quality loss at 580 ℃, 676.8 ℃, the biggest loss of quality, the biggest reason is the first loss of the quality of the first time the reaction is not complete reaction of the residue in the TG phase and the reaction.

(5) the optimum formula was used as an immersion test, and the kinds and concentration of the impregnation agent were obtained as follows: 8%. By orthogonal experiment design, the hot pressing temperature is 200 ℃, impregnation temperature 90 ℃, dipping time 45min, under the test conditions, the test specimens have better bending strength, compressive strength and wear resistance.

(6) friction test and nitrogen adsorption characterization showed that Impregnation after part of the pore is impregnating agent fill, but after immersion of the wear volume and coefficient of friction also a smaller increase, indicating that after immersion impregnating agent will on the specimen wear volume and coefficient of friction have certain influence.

Key words: asphalt, solid lubricating material, formula, uniform design, process

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3固体润滑材料 2

1.3.1固体润滑材料的组成 2

1.3.2固体润滑机理 3

1.4固体润滑剂 3

1.4.1沥青基树脂的选用 3

1.4.2添加剂 4

1.4.3浸渍 5

1.5课题研究的目的和内容 5

1.5.1课题研究的目的 5

1.5.2课题研究的内容 6

第二章 石墨和沥青配比对固体润滑剂性能影响 7

2.1实验部分 7

2.1.1实验原料和仪器 7

2.1.2实验配方 7

2.1.3试样制备工艺 8

2.2性能测试 9

2.2.1硬度测试 9

2.2.2密度测试 9

2.2.3抗弯强度测试 9

2.2.4抗压强度测试 9

2.3结果分析与讨论 9

第三章 沥青基固体润滑剂的制备及数据处理 12

3.1前言 12

3.2实验部分 12

3.2.1成分设计 12

3.2.2配方均匀设计 13

3.2.3实验原料和实验仪器 13

3.3性能测试与结构表征 14

3.3.1硬度测试 14

3.3.2密度测试 14

3.3.3电阻率性能测试 14

3.3.4抗弯强度测试 14

3.3.5抗压强度测试 14

3.3.6磨损量测试 15

3.3.7扫描电镜（SEM） 15

3.3.8光学显微镜（OM） 15

3.3.9红外光谱(IR) 15

3.3.10热重分析（TG-DSC） 15

3.4实验数据与处理 15

3.4.1实验结果 15

3.4.2DPS数据处理结果 15

3.4.3 LINGO函数处理结果 18

3.5结果分析与讨论 19

3.5.1试验结果分析 19

3.5.2红外光谱结果分析 22

3.5.3TG-DSC结果分析 23

3.5.4光学显微镜 24

3.4.5扫描电镜 25

第四章 工艺优化 26

4.1实验原料与仪器 26

4.2正交设计 27

4.3性能测试与结构表征 27

4.3.1磨损量性能测试 27

4.3.2抗弯性能 27

4.3.3抗压性能测试 27

4.3.4摩擦性能测试 28

4.3.5氮吸附性能测试 28

4.4实验结果分析与讨论 28

4.4.1实验结果 28

4.4.2摩擦性能结果分析 31

4.4.3氮吸附测试结果 32

第五章 结论 33

致谢 35

附录 36

参考文献 39

第一章 绪论

1.1研究背景

从20世纪末开始，轨道铁路已经成为了人们出行不可或缺的交通工具，为了解决重载铁路轮轨的伤损问题，人们开始尝试对轮轨踏面进行润滑与摩擦控制。^[1][2]相关研究表明：固体润滑技术的使用可以大大降低车轮和轨道的摩擦磨损，延长机车和钢轨使用寿命，降低铁路运输成本，节约能源，和保障铁路运输的安全性。固体润滑技术可很好解决钢轨疲劳剥离掉块的问题，没有油脂润滑存在的涂覆不均匀、受环境影响较大的缺陷^[3][4]。固体润滑剂对于环境适应性强，无论是在南方阴雨环境中，还是在西北风沙环境中，固体润滑剂都不会受到雨水冲刷和黏附沙尘的影响，润滑效果和润滑性能都能得到充分保证。固体润滑这门科学相比于其他科学起步较晚，但是一出现就被人们所重视，经济效果好，效果明显，发展速度快，适应范围广，污染小时这门科学最显著的特别，也是发展的如此之快的最重要的原因。摩擦调控系统是一种将摩擦控制材料涂覆在钢轨踏面进行摩擦系数调控的系统，对于现在机车运行系统中摩擦系数一般稳定在0.3~0.4之间时效果较好，此区间的摩擦系数不仅可保证机车有足够的牵引力和制动力，减小轮轨蠕滑，也可以有效延长钢轨使用寿命，保正机车运行的安全性^[1][5]。为此，将综合国内外轮轨踏面摩擦控制领域的研究及应用情况进行探讨。

沥青基物质作润滑材料粘接性物质已经运用的越来越广泛，而石墨作为一种便宜易得的物质也在摩擦材料中备受青睐，考虑到以上两点选取石墨和沥青作为润滑材料的主要物质。为保证固体润滑材料达到一个比较好的成膜效果、拥有一个较好的摩擦学性能、较强的抗弯抗压性能以及不错的力学强度，本文选用了一种复合材料，此复合材料是由多种物质共同加工制成，以固体棒的形式存在。

1.2国内外研究现状

对润滑材料的研究早在19世纪的产业革命时期已经开始，刚开始主要用一些相对单一的润滑材料如石墨、锡、铅等作为润滑材料。固体润滑材料作为独立研究对象首次被提出是在二战期间，当时对固体润滑剂研究较为深入的国家有美国和德国，将二硫化钼滑脂、聚四氟乙烯润滑剂和有机粘结固体润滑膜运用的领域有军事和二硫化钼溅射膜和离子镀膜、氟化石墨航空航天，都得到令人十分满意的润滑效果。随着社会的发展，在新兴的产业部门和新兴的技术领域中都在逐渐应用固体润滑，如以机器人和电子计算机为主的电子机械中其主要的润滑部分