《Polymers》：Effect of hBN Particle Size and Content on the Tribological Properties of Polysiloxane-Containing Polyimide Composite Coatings Under Unlubricated Conditions
Yuelin Fan and
Tadashi Shiota
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为应对电动汽车轴承面临的电蚀和蠕滑失效风险，本文研究了不同尺寸和含量的六方氮化硼(hBN)填充聚硅氧烷-聚酰亚胺(si-PI)复合涂层在无润滑条件下的摩擦学性能。结果表明，含有少量(1-2 wt%)纳米hBN(0.05 μm)的si-PI涂层在保持高摩擦系数以抑制蠕滑的同时，显著降低了涂层和配副材料的磨损，并具有足够的电绝缘性，是适用于轴承外圈的抗电蚀防护涂层。
随着全球碳中和目标的推进，电动汽车迎来了爆发式增长。然而，在“里程焦虑”的喧嚣背后，一项关乎电机核心部件长期可靠性的“隐形杀手”正悄然浮现——轴承电蚀。电动汽车依赖的逆变器驱动电机在高频开关条件下运行，使得电机轴承同时承受电气应力和机械载荷的双重考验。据统计，超过40%的电机故障与轴承失效相关。在运行过程中，电机产生的轴电压可能击穿轴承润滑膜，导致放电现象，造成滚道形貌损伤和润滑剂降解。这种被称为“电蚀”的现象，是轴承过早失效的主要原因之一。其中，与变频驱动器相关的重复放电会在滚道上形成浅的搓板状凹槽，即“沟道腐蚀”，可导致轴承提前报废。此外，由于过盈配合不足或松动导致的轴承“蠕滑”（即轴承外圈与轴承座之间或内圈与轴之间的相对滑动），也会引发磨损、变色、擦伤乃至灾难性故障。为了提升电动汽车电机轴承的可靠性，开发能够同时预防电蚀和蠕滑的有效解决方案至关重要。
传统的电蚀抑制方法主要有两种：陶瓷轴承和绝缘涂层轴承。陶瓷轴承虽然绝缘性能优异，但价格昂贵。绝缘涂层轴承则通常通过热喷涂氧化铝等高电阻材料实现绝缘，但其固有的多孔微观结构会削弱介电击穿强度，且过厚的涂层会影响轴承的装配公差和尺寸精度。树脂涂层作为一种潜在的替代方案，其自身在无润滑条件下的耐磨性通常有限。在众多固体润滑剂中，石墨、六方氮化硼(hBN)和二硫化钼(MoS2)因其固有的层状结构和低剪切强度而常用。然而，相比之下，石墨具有导电性，MoS2在高温下易氧化，而hBN在提供固体润滑的同时，还能保持优异的电绝缘性、导热性和抗氧化性。这些特性使得hBN成为应用于钢制轴承外圈的抗电蚀树脂涂层的理想填料。以往关于hBN/树脂复合涂层的研究主要集中在通过添加hBN或混合填料来降低摩擦和磨损。然而，对于轴承外圈的抗电蚀涂层而言，涂层必须表现出相对较高的摩擦以防止蠕滑，同时保持涂层和轴承座的较低磨损以确保耐久性。这一要求与以往旨在降低摩擦的研究目标形成了鲜明对比。
本研究聚焦于将具有较高摩擦系数的聚酰亚胺基体与hBN颗粒相结合的复合涂层。研究期望在保持高摩擦的同时，抑制涂层和配对材料的磨损。含有聚硅氧烷的聚酰亚胺(si-PI)涂层具有绝缘和耐热特性，最初主要开发用于电子和航空航天领域，其固化温度可低于200°C，与轴承钢的回火温度相当。此前研究表明，si-PI涂层在水润滑条件下表现出较低的摩擦和磨损。然而，其在无润滑条件下的摩擦性能以及添加hBN的效果尚未得到研究。因此，本研究制备了含有不同尺寸hBN颗粒的hBN/si-PI复合涂层，并在无润滑条件下评估了它们的摩擦磨损性能。基于初步结果，选择了平均一次粒径为0.05 μm的纳米hBN作为填料，并进一步考察了纳米hBN含量对摩擦磨损行为的影响。相关研究成果发表在《Polymers》期刊。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：采用浸涂法制备了含有四种不同尺寸hBN颗粒（平均一次粒径分别为3.0 μm、0.7 μm、0.1 μm和0.05 μm）的hBN/si-PI复合涂层，并将其沉积在轴承钢(SUJ2)和硅衬底上，随后在160°C固化。利用表面轮廓仪测量涂层厚度和表面粗糙度，通过纳米压痕仪测定涂层的硬度和杨氏模量。在无润滑条件下，使用自行搭建的往复滑动摩擦磨损试验机（载荷3 N，平均速度20 mm/s，滑动距离6 m）对涂层进行摩擦学性能评价，并以SUJ2钢球作为对磨副。通过扫描电子显微镜观察涂层表面、磨损形貌及截面微观结构，并基于磨损截面轮廓计算涂层的比磨损率。
3.1. hBN填料的选择
研究人员比较了未添加填料的N涂层和含有不同尺寸hBN（BN3.0, BN0.7, BN0.1, BN0.05）的复合涂层的摩擦学性能。结果表明，纯si-PI（N）涂层在滑动测试中出现摩擦系数波动，并因产生长度约100 μm的横向裂纹导致涂层部分剥落和严重损坏。相比之下，含有最小尺寸纳米hBN（BN0.05）的涂层表现出第二高的平均摩擦系数（约0.60）和最稳定的摩擦特性，其比磨损率在所有复合涂层中最低，显示出最佳的耐磨性。因此，BN0.05被选为最佳填料进行后续含量影响研究。
3.2. 纳米hBN/si-PI复合涂层的制备与表征
研究人员制备了含有1、2、5、10和15 wt%纳米hBN（BN0.05）的复合涂层。截面扫描电镜观察显示，随着hBN含量增加，纳米hBN团聚体的密度和尺寸均增大，涂层厚度（从12 μm增至25 μm）和表面粗糙度也随之增加。纳米压痕测试表明，涂层的硬度随hBN含量增加而提高。
3.3. 纳米hBN/si-PI复合涂层的力学和摩擦学性能
摩擦磨损测试结果显示，除BN0.05_15涂层外，其他含hBN涂层的平均摩擦系数均高于SUJ2钢自配副。比磨损率方面，BN0.05_2涂层最低，甚至低于SUJ2基体，而BN0.05_15涂层最高。磨损形貌观察发现，纯N涂层表面出现许多长度超过100 μm的长横向裂纹，导致早期剥落。而低hBN含量（如2 wt%和10 wt%）的复合涂层表面裂纹长度小于20 μm，表明纳米hBN的加入抑制了裂纹扩展。但在高hBN含量（15 wt%）涂层中，裂纹长度超过50 μm，且表面出现许多与hBN团聚体尺寸相当的凹坑，表明大尺寸团聚体在摩擦中更易脱落。此外，对磨钢球的磨损也随涂层中hBN含量增加而加剧。重要的是，BN0.05_2涂层在承受400 V直流电压时电阻超过40 GΩ，显示出足够的电绝缘性。
3.4. 纳米hBN/si-PI复合涂层的磨损机理
通过对磨损区域截面的电镜观察，研究人员揭示了涂层的磨损机理模型。纯si-PI（N）涂层因其脆性，在摩擦作用下主裂纹易于向涂层内部及涂层-基体界面扩展，形成大裂纹并导致涂层大面积剥落。在低hBN含量（如2 wt%）的复合涂层中，分散的纳米hBN颗粒及其小尺寸团聚体能有效地使扩展的裂纹发生偏转或止裂，这种“分散增韧”效应显著抑制了裂纹扩展。然而，当hBN含量增加，团聚体尺寸变大时，大团聚体自身更易被裂纹穿透而发生断裂，削弱了增韧效果，同时大团聚体也更易从表面脱落，导致涂层磨损加剧。
本研究系统揭示了hBN填料的添加对si-PI涂层在无润滑条件下摩擦学性能的显著影响。在考察的四种尺寸hBN填料中，平均一次粒径为0.05 μm的纳米hBN填料使涂层表现出最佳的耐磨性。含有低含量（1-2 wt%）纳米hBN的si-PI复合涂层展现出了与轴承钢相当的高摩擦系数，但其比磨损率低于轴承钢基体，并降低了对磨钢球的磨损。该涂层同时还被证实具有足够的电绝缘性能。因此，本研究开发的低含量纳米hBN/si-PI复合涂层，完美契合了轴承外圈对抗电蚀涂层所需的高摩擦（以防蠕滑）、高耐磨和电绝缘的综合要求，是一种极具应用前景的新型抗电蚀防护涂层材料，为提升电动汽车电机轴承的长期运行可靠性提供了切实可行的材料解决方案。
