材料科学与工程学报液晶摩擦学研究现状与展望王海军，王齐华，裴先强（中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，甘肃兰州730000）综述了近年来国内外液晶摩擦学的研究进展。比较了不同小分子液晶润滑剂或添加剂的润滑机理和减摩抗磨性能的差异总结和分析了大分子液晶微观和宏观增强复合材料的摩擦磨损机理和性能并对液晶摩擦学今后的研究和发展方向提出了展望。

　　液晶减摩抗磨机理1引言液晶相是一种介于液相和固相之间的中间相态，既具有流体的流动性和连续性，又具有晶体分子排列的取向有序性和光学各向异性。根据液晶形成条件的不同，可把液晶分成热致性液晶和溶致性液晶按照液晶基元在分子链中位置的不同，可把液晶聚合物分成主链型液晶和侧链型液晶两种。

　　自从最早在仿生学的研究中发现液晶的润滑特性以来，液晶润滑以及液晶聚合物摩擦磨损性能的研究已引起国内外众多学者的研究兴趣[2 4]，而液晶摩擦学也已成为摩擦学领域中的一门新课题2低分子量液晶化合物的摩擦学性能优良的润滑介质必须兼具高承载能力和低剪切阻力两种性能，而液晶恰能同时满足这两种要求：在垂直于表面的方向，液晶分子排列的长程有序使之呈现固体的抗压性能，阻止摩擦表面间的直接接触在滑动剪切方向，液晶在高载荷下，又呈现出低粘度的液体流动性，从而获得极低的剪切阻力。因此，液晶具有良好的润滑特性，可在金属、陶瓷、聚合物等各种材质摩擦副的减摩抗磨中得到广泛应用[ 6， 7]，是一类性能优异的新型润滑材料。

　　2. 1溶致液晶润滑剂的摩擦学性能溶致液晶一般由长链分子和溶剂水构成，其长链分子主要是皂类或清净剂类化合物。非水溶剂溶致液晶的出现使得该类物质的润滑作用得以实现认为溶致类液晶润滑性能的决定因素有两方面：液晶分子的长程有序排列使之具有比普通流体更高的载荷表面活性剂链烃末端的甲基排列无规则取向，而剪切则发生在这种局部无序甲基层间，从而可获得较低的摩擦系数。文献[ 11]也证明了摩擦系数与溶剂层厚度以及链烃层厚度没有直接联系，剪切确实发生在取向无序的甲基层。

　　等研究了非离子性表面活性剂异丁醇NaCl O混合体系中液晶相结构对润滑性能的影响。结果表明：层状液晶在金属表面平行取向而形成保护膜，因此减摩抗磨效果均比球状微胶相及吸附单层要好。在某一NaCl浓度下，层状液晶相的浓度最大，可获得最佳的润滑效果。

　　对溶致性液晶进行研究，发现在高剪切速率下各向异性和各向同性两相态间的差别很小，因此粘度不仅随剪切速率的升高而降低，而且在高剪切速率下，在一定浓度处的粘度出现最大值消失。从另外一个方面来看，剪切力也会在清亮点附近造成各向同性增强。而距各向同性向列态转变点越近，剪切速率造成的双折射现象即各向异性就越明显。这一结果表明，在刚刚进入各向同性态的溶液体系中，略加一点剪切速率，如搅拌、流动等，会导致取向有序，其取向程度可以和向列态相比，而其润滑效果也可再持续一段时间。

　　为了使溶致液晶进行有效的润滑，可从液晶分子结构的设计、对溶致液晶进行化学修饰、加入表面活性剂等方面进行不同的探讨溶致液晶润滑剂虽不及热致液晶润滑剂的研究和应用深入和广泛，但其合成简单，价格相对低廉，是一类很有发展前途的润滑剂。

　　2. 2热致液晶润滑剂的摩擦学性能热致液晶一般有刚性链段和柔性链段两部分组成，刚性链段主要包括氰基、苯基或萘基等基团，柔性链段主要是一些烷基基团。Mori研究发现，液晶的结构对其摩擦学性能有很大的影响：液晶分子的刚性部分影响其摩擦学性能，刚性越强，摩擦系数越低而摩擦系数与柔性烷基的链长无关。当刚性部分为联苯时，由于两个苯环上的电子发生共轭，形成平面结构。在受到剪切时，这种平面结构有利于分子作有序排列，而形成有利于润滑的剪切平面。而当以环氧基代替其中一个苯环时，这种平面结构遭到破坏，摩擦系数由原来的0 035上升到0 045.如图1所示氰基联苯 CPC：对烷基环己基氰基苯）热致液晶态的形成与温度息息相关，而温度又是影响热致液晶的重要因素。使用具有高的无向性转换温度的液晶，可获得更低的摩擦系数[ 8].高的无向性转换温度，意味着液晶室温下具有更好的定向度。Cognard的研究结果表明，在流体润滑条件下，液晶经各向同性转变后，其摩擦系数仍然较普通润滑油的低。这是因为在固体表面场和摩擦的高压作用下，液晶的有序结构可持续到清亮点之后，其润滑效果也可持续到比清凉点更高的温度，这和溶致液晶有着非常有趣的类似。

　　附加外场如电场、磁场会对液晶的定向排列产生一定的影响，进而影响到液晶的摩擦学性能。如在外界电场（直流、交流）的作用下并且外场足够大时液晶分子朝粘度最大的方向重排，粘度增大，即呈现电粘效应示[ 20].施加30V的直流电压进行摩擦系数的主动控制，发现向列型液晶润滑剂的摩擦系数降低可达25 切断电源，摩擦系数恢复到未加电压之前的值[21].由于液晶的这种效应是主动的和可逆的，它在摩擦传动和主动控制中有一定的应用前景。

　　2 3液晶润滑添加剂的研究与应用由于受到价格因素的制约，实际生活和生产中，人们更多的是把液晶化合物作为其它润滑油脂的添加剂来使用。

　　而液晶化合物的润滑性能也是在作为添加剂时首先发现的。已经使用过的液晶化合物有向列型液晶苯甲酸衍生物、向列或近晶型偶氮苯类液晶化合物以及烷基氰基联苯等多种，而研究过的基础油有硅油、酯类油、矿物油和人造关节滑液（如图3所示）等。

　　1人造关节滑液 2人造关节滑液 2液晶3活性关节滑液王海军，等。液晶摩擦学研究现状与展望3大分子液晶的摩擦学性能液晶聚合物（ LCP）是20世纪70年代开发出的一类高性能聚合物，主要用来制作特种合成纤维和特种工程塑料，其分子具有自发取向的特征。在熔融加工过程中，刚性的大分子在流动方向上充分高度取向排列，冷却固化后其刚性增强并被保持下来，故具有突出的自增强特性，呈现出高强度和高模量特性。耐摩擦性好，摩擦系数小，与45号钢的动摩擦系数为0 203，与聚四氟乙烯相似，但磨耗量很低，仅为聚四氟乙烯的1 6000线胀系数小，尺寸稳定性好，成型加工性能好，阻燃性能显著，并具有抗老化和耐酸碱腐蚀等特点。由于液晶高分子具有上述许多优点，故应用范围非常广泛3. 1微观增强原位复合材料主链型液晶高分子的熔体沿加工方向流动时，会在剪切力的作用下发生取向，形成高度取向的凝聚态纤维结构。

　　念[24]，即用TLCP在加工过程中原位形成的微纤作增强剂与被增强基体熔融共混起到增强的效果，这种复合材料的各种机械性能都得到明显改善。文献[ 25]报道将热致性液晶与PTFE混合，采用模压烧结法制备出原位复合材料，其研究表明：液晶在PTFE TLCP近表面处形成纵向微纤结构，这种结构有利于提高复合材料的承载能力，并有利于偶件表面薄而均匀的转移膜的形成，从而改善复合材料的摩擦学性能并减轻偶件表面的损伤。在研究中还发现，随着载荷增加，摩擦系数减小（）。这是由于载荷增加，真实接触面积增大，相应的塑性变形和犁削作用加剧，但前者占主导所致。此外，高载荷下复合材料的值比纯PTFE小，推测这是TLCP显著减轻PTFE塑性变形的结果。

　　赵安赤对液晶聚合物氟塑料合金的摩擦磨损行为及其耐磨机理进一步研究发现，在合金组分分配适宜时，合金内部的LCP分散相可以通过热迁移形成微纤，而这些微纤又可以直接网络形成结构，对PTFE基体起到包络作用（如图4所示） ，极大地破坏了PTFE典型的带状磨损，变为犁耕磨损，改变了磨损形式，从而提高了合金的耐磨性。赵制备的高性能LCP与PTFE新型氟塑料合金的耐磨性比纯的PTFE提高了100多倍，但摩擦系数与PTFE相当。总之，高耐磨新型液晶聚合物与各种塑料原位复合材料的研制成功，为高新技术和军工领域提供了急需材料。目前，国内外对液晶聚合物的研究多集中在原位复合材料上。液晶聚合物/热塑性树脂合金也已成为聚合物基摩擦材料的较好选择。

　　3. 2液晶聚合物纤维制品宏观增强复合材料目前，国外已经开发出如Kevlar纤维等多种液晶纤维。

　　芳纶纤维是一种溶致液晶聚合物聚酰胺有机纤维，其具有较高的强度、中等的弹性模量，密度小、耐热、高温下尺寸稳定性好并具有优良的耐磨性[27].芳纶纤维在非复合形式下具有高韧性，没有碳纤维与玻璃纤维所呈现的脆性，适于制作高温高负荷下工作的摩擦材料[ 28].目前针对芳纶纤维增强摩擦材料摩擦学特性的研究较多等人从转移膜的角度研究了液晶聚酰胺Kevlar 29纤维增强聚亚苯基硫化物（ PPS）复合材料的摩擦磨损性能。其研究结果表明， Kevlar 29纤维能显著地增强复合材料的抗磨性。未添加纤维的PPS与摩擦副对磨时，在对偶面上只能形成不连续和很厚的转移膜而添加Kevlar纤维之后，在对偶面上形成了薄而均匀的转移膜，并且效果以添加30为宜（见图5）。这是由于纤维增强剂的存在，增加了摩擦热提高了摩擦表面的温度，并且在摩擦过程中产生等物质，这类物质和摩擦产生的热增加了转移膜与对偶面的结合能，最终提高了复合材料的抗磨性。

　　研究了芳纶增强摩擦材料的摩擦学特性，而马保吉等则在模拟制动工况的条件下对芳纶Kevlar纤维增强酚醛树脂摩擦材料的磨损机理进行了系统的实验研究。他们的研究结果表明：在试验工况条件下，两材料科学与工程学报种摩擦材料在与铸铁偶件对摩时均呈现粘着磨损和塑性变形特征在高速和高压条件下塑性变形加剧，摩擦材料磨损表面可见熔融迹象摩擦副接触表面发生材料的相互转移，两种摩擦材料均可在偶件表面形成转移膜，且在高速和高压条件下转移膜更易形成 Kevlar纤维作为增强相可以有效地提高摩擦材料的摩擦稳定性，并降低摩擦系数摩擦材料的磨损机理主要为擦伤作用、粘着磨损和塑性变形。刘旭军等考察了不同条件下芳纶纤维织物的摩擦学性能，并用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对纤维织物的磨损表面、磨屑形貌及结晶性进行了观察和分析。结果表明：随着负荷的增大，织物的摩擦系数略有降低，磨损呈上升趋势速度对织物的摩擦学性能影响不大纤维束的挤压变形和磨屑的填充作用导致磨损表面被压实并变得光滑，从而使真实接触面积增大，摩擦条件改善。250处理后织物中的纤维强度降低，从而导致磨损增大。

　　当聚合物基体中纤维含量较低时，向偶件表面转移和粘着是其典型的磨损机理。由于转移膜的生成，磨损降低。

　　研究发现， Kevlar纤维增强PA66与工具钢对磨时，在开始短时间内的磨损率较高，随之大幅度降低并保持稳定。分析认为：这是聚合物复合材料向偶件表面转移，且转移膜的生成和剥落逐步达到平衡的结果。虽然人们已经在液晶聚合物制品的摩擦学性能方面取得了一定的进展，然而，液晶聚合物的原位增强并没有达到最初人们期望的效果，一方面，人们仍在探索如何解决原位增强复合材料界面相容性较差的问题另一方面，人们也在尝试着用微观增强和宏观增强相结合即混杂增强的手段来改善材料的力学性能和摩擦学性能。

　　3. 3液晶膜的摩擦学研究液晶在表面工程摩擦学领域也有潜在的研究和应用价值。20世纪后半叶，随着大规模电路集成技术和微细制造技术的发展，制造毫米以下尺寸的机电一体化系统成为可能，许多微传感器、微致动器以及一些更为复杂的微型机械亦应运而生，这些统称为微机电系统（ MEMS）。目前，人们开发的MEMS产品包括微机械臂、微阀、微泵、徽涡轮机以及具有各种功能的微机器人，这些装置在生物、医学、环境保护、宇航、农业、工业和军事等领域具有广泛的应用价值[39， 40].在微观尺度下，油润滑和气润滑很难解决微机电系统运行过程中遇到的摩擦学问题。超薄膜润滑被认为是最理想的润滑手段。由于液晶的低摩擦系数和在摩擦表面分子排列的可操控性，而有望成为固体润滑膜的上好选择。

　　液晶分子在高能量的表面平行排列，在低能量的表面垂直于表面排列[41].对摩擦副表面用表面活性剂如棕榈酸、十八烷基或3胺丙基乙氧基硅烷处理后，可以诱导液晶化合物垂直于表面排列，这样剪切就发生在柔性链段烷基链之间，从而可以获得较低的摩擦系数。本研究小组的研究方向之一是研究液晶固体润滑膜的摩擦学性能，并深入探讨液晶高聚物的分子结构及在摩擦表面的排列方式对其摩擦学性能的影响。

　　无论在摩擦学领域还是在其它诸如显示领域中，液晶分子的定向排列机理一直是人们关心的问题。在液晶的应用开发中，人们发现了首先在基板上涂敷取向剂聚合物薄膜进行各向异性处理，再进行摩擦处理，使液晶定向排列的方法。应用这种方法，可使液晶分子的长轴方向沿着平行于摩擦方向固定排列[42].这种方法存在两个缺一不可的条件：取向剂的取向作用和摩擦的诱导作用。取向层的分子结构、表面的表面张力以及表面的粗糙程度都会影响液晶的取向效果。含有手性液晶基团的聚合物，分子中含有不对称碳原子，在一定条件下使液晶聚合物显示近晶相，产生自发极化而具有铁电性[ 43].对侧链液晶高分子施加外场（电、磁等）可改变液晶分子排列和取向，同时改变光电其它物理学性能。

　　4结语自1888年F Reinitzer首次发现液晶以来，液晶在光电等领域的研究较为深入并且己经成功地应用到生产生活中，而液晶摩擦学作为摩擦学领域中的一门新课题，无论是在基础理论研究还是在实际应用中都有亟需开拓的空间。

　　对于低分子量液晶化合物和液晶高聚物，探索其特殊的分子结构与摩擦磨损机理的关系、合成新型的润滑添加剂和自润滑性良好的高聚物材料是我们应该认真面对的问题。

　　而将液晶或其复合材料的结构设计和制备工艺参数设计与其各种性能特别是摩擦磨损性能加以有机联系，以实现对其摩擦磨损性能的主动控制和其摩擦磨损机理的深入认识，应该是在摩擦学领域内最终解决的问题。液晶材料学作为化学、物理、生命科学、材料科学、信息科学和环境科学等多学科交叉的一门边缘学科，正在成为一个十分活跃的领域，液晶材料学的发展也必将推动其它学科的发展。

　　姚俊兵，王清亮，李银风，等。 [ J] .润滑与密封2000， 1： 57王海军，等。液晶摩擦学研究现状与展望唐炜、朱宝亮、赵安赤，等。 [ J] .摩擦学学报， 2000， 20（ 1） ： 10刘旭军，李同生，杨生荣，等。芳纶纤维织物摩擦磨损性能的[ 40]丁衡高，等。微系统与微米纳米技术及其发展[ C] .第四届全国微米纳米技术学会会议，上海， 2000. 1 6.

作者：中国润滑油网　　来源：中国润滑油网