镍基纳米润滑剂的制备及其摩擦学行为研究

摘要

Ni纳米微粒作为润滑油添加剂可以显著提高润滑油的摩擦学性能,然而有关其摩擦学作用机理以及摩擦学性能同粒径和形貌之间关系的研究报道很少。鉴于此,本文利用原位表面化学修饰技术合成了一系列不同尺寸、形貌的Ni纳米微粒和Cu@Ni纳米微粒,系统地研究了其分散稳定性和摩擦学性能;进而探讨了添加剂组成、结构、粒径、形貌与摩擦学性能之间的关系,考察了其减摩、抗磨和磨损表面自修复作用机理。与此同时,尝试开展了类金刚石碳(DLC)-Ni固-液混合润滑体系的摩擦学基础研究。本论文主要研究内容和结果如下:
　　(1)Ni基纳米润滑剂的一步原位合成及其摩擦学行为研究。
　　以不含S、P的油酸和油胺为修饰剂,利用简单的一步热解法使Ni(HCOO)2直接在聚a烯烃(PAO6)基础油中分解,原位合成了不同粒径的单分散Ni纳米微粒。利用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)等分析了产物的相组成、微观形貌和尺寸、化学结构。利用四球摩擦磨损试验机测定了其作为PAO6添加剂的摩擦学性能;采用扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)分析了磨斑表面形貌和典型元素的化学状态,进而探讨了添加剂的摩擦学作用机理。结果表明:所得Ni纳米微粒润滑油添加剂的抗磨能力与粒径和浓度密切相关;添加剂粒径越小,则其抗磨能力越好;含0.05％(质量分数)添加剂的PAO6的抗磨性能明显优于PAO6基础油。这是由于基础油及含活性O、N的有机化合物修饰剂可在钢球磨损表面形成边界润滑膜,而 Ni纳米核可在磨损表面沉积,从而避免摩擦副表面的直接接触、减轻粘着磨损所致。
　　(2)Cu@Ni纳米润滑剂的一步原位合成及其摩擦学行为研究。
　　以油酸和油胺为修饰剂,通过在反应体系中引入Cu(HCOO)2前驱体,使Cu(HCOO)2和Ni(HCOO)2先后直接在PAO6中分解,得到分散性和稳定性良好、不同Cu含量的Cu@Ni纳米微粒。利用XRD、TEM、FTIR等分析了产物的相组成、微观形貌和尺寸、化学结构;利用四球摩擦磨损试验机测定了其作为PAO6添加剂的摩擦学性能;借助磨斑表面SEM和XPS分析探讨了其摩擦学作用机理。结果表明,同Ni纳米微粒添加剂相比,Cu@Ni纳米添加剂的抗磨、减摩及承载能力有所增强。其原因在于,基础油及含活性O、N的有机化合物修饰剂可在钢球磨损表面形成边界润滑膜,Ni纳米核可在磨损表面沉积,而Cu纳米核可在磨损表面形成自修复膜。
　　(3)DLC-Ni固液复合润滑体系的摩擦学行为研究。
　　分别在干摩擦和油润滑(癸二酸二异辛酯基础油和含Ni纳米润滑剂的基础油)条件下测定了钢/DLC薄膜摩擦副的摩擦磨损性能,对比分析了润滑剂、载荷、速度对DLC薄膜摩擦磨损性能的影响,并建立了固-液复合润滑体系的Stribeck曲线。结果表明,DLC薄膜与两种液体润滑剂表现出良好的协同减摩效应;尤其是DLC薄膜与Ni纳米润滑剂显示出优良的协同减摩效应。这是由于具有较高化学活性的Ni纳米润滑剂易在摩擦副表面沉积,从而降低摩擦界面间的阻力、减轻磨损所致。此外,DLC-Ni复合润滑下的Stribeck曲线谷底较宽,边界润滑和混合润滑区域较宽。
　　(4)形貌可控 Ni纳米微粒的制备及其摩擦学行为研究。
　　以十二烷基磺酸钠和油胺为修饰剂、癸烷为溶剂,经由Ni(HCOO)2热分解得到三种不同形貌的Ni纳米微粒。利用XRD、TEM、FTIR等分析了产物的相组成、微观形貌和尺寸、化学结构;利用四球摩擦磨损试验机测定了其作为PAO6添加剂的摩擦学性能,借助磨斑表面SEM和XPS分析探讨了其摩擦学作用机理。结果表明,不同形貌的Ni纳米颗粒添加剂的润滑效果不同,其中三角薄片状Ni纳米颗粒的润滑效果优于圆球状和三角棒状Ni纳米颗粒。这可能是由于三角薄片Ni纳米颗粒与钢摩擦副接触面积较大,更易在钢磨损表面吸附和沉积,从而避免摩擦副的直接接触所致。

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1 绪 论

1.1 摩擦学的研究与发展

1.2 纳米微粒作为润滑油添加剂的摩擦学行为研究

1.3 纳米镍的研究进展

1.4 选题依据和研究内容

参考文献

2 Ni 基纳米润滑剂的一步原位合成及其摩擦学行为研究

引言

2.1 实验部分

2.2 结果和讨论

2.3 本章小结

参考文献

3 Cu@Ni 纳米润滑剂的一步原位合成及其摩擦学行为研究

引言

3.1 实验部分

3.2 结果和讨论

3.3 本章小结

参考文献

4 DLC-Ni 固液复合润滑体系的摩擦学行为研究

引言

4.1 实验部分

4.2 结果和讨论

4.3 本章小结

参考文献

5 形貌可控纳米 Ni 的制备及其摩擦学行为研究

引言

5.1 实验部分

5.2 结果和讨论

5.3 本章小结

参考文献

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

攻读学位期间发表的学术论文

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