稀土硼酸镧/软金属纳米铟复合材料的制备及摩擦学性能的研究

摘要

润滑油被称为工业的血液，润滑技术是机械系统最有效的抗磨减摩措施，提高润滑油的性能，发展环境友好的新型润滑添加剂是解决润滑油产业消费日益剧增和保护环境的必然需求。基于纳米材料为添加改性剂的润滑油体系的抗磨、减摩及在线自修复技术已经成为摩擦、润滑技术的发展方向之一，也是摩擦学学科创新型前沿研究内容之一，具有深刻的理论意义和广阔的应用前景。
　　两种和两种以上不同性质的纳米微粒润滑组分通过优化复合可以比体相单一的材料具有更高的性能优势，这是由于不同材料的协同效应和性能的优势互补机制，使复合微粒表现出更优良的摩擦学性能。本研究运用分子动力学对软金属纳米In/硬相复合纳米微粒润滑体系在边界润滑中相互作用影响进行模拟计算，预判了该润滑体系的抗磨损能力能够获得显著提高；基于模拟计算结果，选择具有催化活性的稀土硼酸盐和软金属In的纳米微粒作为润滑添加剂，在多种常用金属摩擦副材料试样中进行了大量的、长时间的摩擦磨损对比试验，获得了优化的工艺配方。用先进的测试手段对纳米微粒和摩擦试样形态进行表征、对摩擦试样进行了沉积膜与基体之间的键能分析，得到了沉积膜层与基体是以化学键结合的结论，进一步分析解释了自修复膜层抗磨损的修复补偿机制。
　　本文围绕纳米硼酸镧和软金属纳米In在多种金属摩擦副抗磨减摩性能进行研究。主要研究内容为：
　　1.纳米硼酸镧制备的优化工艺研究
　　用L9(34)正交实验法获取制备纳米硼酸镧的优化工艺参数，对生成物进行TEM形貌表征和XRD成分检测分析。
　　2.纳米La2[B4O5(OH)4]3/In复合粉体的制备和油溶性表面修饰
　　⑴实验对比几种La2[B4O5(OH)4]3/In的制备和修饰方法，选择了优化的原位溶胶凝胶法的制备-修饰一步法的工艺，并获取了工艺参数。
　　⑵ La2[B4O5(OH)4]3/In-基础油润滑体系油样的配置，对其复合纳米微粒的粒度、体系的分散性、稳定性进行表征。
　　3. La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米粉体-基础油润滑体系的摩擦学性能测试及对比研究，并进行测试结果的机理分析，获取优化的复合比和优化的添加量。
　　⑴在45钢-HT200和45钢-ZCuZn16Si4铜摩擦副中的La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米微粒不同复合比和不同含量润滑体系的抗磨减摩性能测定及机理分析。
　　⑵在四球机上测试各种油样的摩擦磨损性能，获得WSD和摩擦系数变化规律，并进行油膜强度PB、抗烧结能力PD的测试对比分析。
　　4. La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米材料的特征元素在摩擦面沉积膜的断面表征及膜层与基体的XPS键能分析。尝试用分子动力学对复合纳米微粒在钢-铜摩擦副上相互作用影响研究，构建磨损量变化规律预判决策模型。
　　主要研究结果如下：
　　1.通过调节反应体系的PH值，获得平均粒度为45nm的球状0维La2[B4O5(OH)4]3纳米颗粒；
　　2.用溶胶凝胶原位合成和一步油溶修饰制备La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米微粒
　　纳米In被无定形的水合La2[B4O5(OH)4]3完整包裹，呈核壳结构，成分偏析得到很大改善；其平均粒度60nm，所有颗粒均在100nm以内；与基础油形成的分散体系具有高度分散和长效稳定特点，能满足润滑油添加剂要求和实现长期储存。
　　3.添加La2[B4O5(OH)4]3/In纳米复合微粒可以显著改善基础油的摩擦学性能
　　⑴载荷为200N、线速度为0.5m/s、室温（30℃）实验条件下，在45＃钢-HT200摩擦副上，单一水合纳米La2[B4O5(OH)4]3粒子添加量为2wt％的润滑体系，可获优化的综合摩擦学性能，与基础油相比，该润滑体系的平均摩擦系数下降34.6%，摩擦试样的总磨损失重量减小了70.4%。
　　⑵复合纳米La2[B4O5(OH)4]3/In可进一步提高润滑油的抗磨减摩自修复性能，当两者的复配比为3:7，添加量为2wt%时，配置的复合纳米粉体润滑体系使45＃钢-HT200摩擦副的平均摩擦系数比基础油下降了52.6%，摩擦试样的磨损失重为负值，实现了“负磨损”的硬修复。
　　在相同的实验条件下，在45＃钢-硅黄铜摩擦副中，La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米微粒的复配比例和添加量的最优化参数与45＃钢-HT200摩擦副油样体系相同。此时，铜试件的磨损量最小（0.32mg），摩擦系数最低（0.029），比基础油分别降低了92.4%和59.2%。
　　⑶在点接触高副上，La2[B4O5(OH)4]3和In的质量配比7:3，添加量3%是最佳工艺参数，此时的复合微粒润滑体系比纯基础油润滑体系的钢球磨斑直径降低71.6%，摩擦系数降低了33.8%；最大无卡咬负荷PB提高了36.5%，烧结负荷PD提高了50%。
　　3.对La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米微粒的-油润滑摩擦学作用机制进行研究，证实了边界润滑条件下，La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米微粒润滑体系通过机械摩擦化学反应在摩擦表面形成了 FeB、La2 O3、B2 O3和单质 In的复合润滑膜，润滑膜是化学键或金属键结合为主的自修复层。
　　4.分子动力学数值模拟计算结果显示，这类硬质和软质纳米微粒复合形成的新型润滑添加剂在流体润滑模型中具有更好的抗磨能力，模型铜薄壁磨损量变化趋势与在45＃钢-硅黄铜摩擦副上铜试件的磨损试验数据曲线基本吻合，模型可定性地作为研究前试验决策参考。
　　主要特色和创新点如下：
　　1．首次尝试将La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米粉体应用于润滑油体系，在常用金属摩擦副中表现出优异的摩擦学性能，该研究未见相关的报道，研究内容新颖。
　　2．在纳米La2[B4O5(OH)4]3水合硼酸镧制备中，对体系进行PH值调节控制，获得了尺度小且分布集中的0维球状纳米颗粒，工艺简单可靠。
　　3．用原位溶胶凝胶修饰-制备一步法，获得核壳结构的La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米微粒，在基础油中具有良好的悬浮稳定性和分散稳定性。
　　4.研究发现La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米润滑体系不但在面接触摩擦副上，长时间、较低压力条件下，能够形成含有其特征元素的沉积补偿膜层；在点接触钢球摩擦表面上，短时间内、高接触应力条件下，同样能形成完整的沉积膜层，获得优异的摩擦学综合性能、较高的油膜强度和抗烧结能力。
　　5.基于分子动力学理论及数值分析，构建了硬质/软质复合纳米微粒在润滑流体中对摩擦副试样的磨损量影响的预判模型，该模型可定性地作为研究前试验决策参考。

目录

第1章 绪论

1.1. 课题背景

1.2. 稀土化合物和硼酸盐作为润滑添加剂的研究概况

1.3. 纳米软金属及In润滑添加剂的研究概况

1.4. 复合纳米润滑添加剂研究综述

1.5. 主要研究内容、意义、创新和特色

第2章 纳米硼酸镧的制备及表面修饰研究

2.1 概述

2.2 水合硼酸镧纳米颗粒的制备及表征

2.3 纳米硼酸镧的修饰处理

2.4 纳米硼酸镧制备的优化

2.5 本章小结

第3章 硼酸镧/铟复合纳米微粒的制备及其分散稳定性研究

3.1 概述

3.2 纳米In润滑油分散体系的制备和表征

3.3 La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米粒子-油润滑体系的建立

3.4 本章小结

第4章 硼酸镧/铟复合纳米微粒-油润滑体系对铁基摩擦副的摩擦学性能研究

4.1概述

4.2单一纳米硼酸镧添加量对铁基摩擦副摩擦学性能的影响

4.3纳米La2[B4O5(OH)4]3与晶体LaBO3的摩擦学性能

4.4 La2[B4O5(OH)4]3/In复合纳米微粒的抗磨、减摩性能

4.5本章小结

第5章 硼酸镧/铟复合纳米微粒在45#钢-铜摩擦低副中的摩擦学性能研究

5.1 概述

5.2 不同复合配比的La2[B4O5(OH)4]3/In的抗磨减摩性能

5.3 不同添加量的La2[B4O5(OH)4]3/In-油润滑体系的抗磨减摩性能

5.4纳米La2[B4O5(OH)4]3/In润滑体系在两种摩擦副中的抗磨减摩性能对比分析

5.5本章小结

第6章 纳米硼酸镧/铟润滑油体系在四球机上承载能力和摩擦学性能测试

6.1概述

6.2 La2[B4O5(OH)4]3/In-油润滑体系的抗磨减摩性能

6.3 La2[B4O5(OH)4]3/In–油润滑体系的其它性能

6.4 本章小结

第7章 硼酸镧/铟的自修复机制、磨损预判及成品油中的应用研究

7.1 概述

7.2边界润滑中自修复膜的形成机制分析

7.3 La2[B4O5(OH)4]3/In 润滑添加剂在成品油中的应用

7.4本章小结

第8章 结论与展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ：攻读博士学位期间发表的学术论文与研究成果

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