表面修饰纳米铜颗粒的制备及其摩擦学性能研究

摘要

近年来，纳米铜由于其不同于块状材料的特殊性能，已经在各个领域呈现出了极其重要的应用价值。作为重要的工业原料，纳米铜可以代替贵金属降低工业成本，有着广阔的应用前景。因此，对纳米铜的研究已经引起了国内外的广泛关注。
　　 本论文通过电化学方法对还原剂的电化学性能进行了对比研究；选择价格低廉、对环境友好的葡萄糖和次亚磷酸钠作为还原剂成功制备了各种形貌的纳米铜并对其生长机理进行了研究；考察了球状纳米铜作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能。主要内容如下：
　　 1.利用Zennium电化学工作站对各种还原剂的电化学性能进行了研究。通过对不同实验条件下还原剂的循环伏安曲线进行分析对比，得到各还原剂的电化学性能与体系pH值、电解质浓度以及电势扫描速率之间的关系，从而出在液相体系中还原剂还原性能处于最佳状态时的实验条件。
　　 2.选择价格低廉、对环境友好的次亚磷酸钠作为还原剂，以五水硫酸铜为原料，油酸作为萃取剂和表面活性剂，通过研究不同反应条件对产物形貌、粒径及分散性的影响，最终制备得到了具有结晶度高、粒度均匀，分散性好、抗氧化的纳米铜。采用XRD、FTIR、TG/DTA、SEM、TEM等方法对产物进行了表征并对其生长机理进行了探讨。
　　 3.通过改变实验条件，对液相体系中树枝状、空心球状、棒状和花状纳米铜的生长机理进行了研究。结果表明：1)球状纳米铜的形成主要是油酸吸附保护及位阻效应和奥斯特瓦德熟化过程共同作用的结果。2)油酸的结构导向作用和奥斯特瓦尔德熟化对产物晶体的影响是树枝状纳米铜生成的主要原因。在反应过程中，油酸引导着晶核沿着某些晶面方向优先生长；随着陈化时间的延长，奥斯特瓦尔德熟化过程继续进行使小晶核不断溶解，并在大晶核的特定晶面上沉积生长，最终导致了树枝状纳米铜的形成。3)空心球状纳米铜的形成是油酸的模板作用和奥斯特瓦尔德熟化共同作用的结果。油酸在体系中形成的球状胶束有利于空心结构的生成；而奥斯特瓦尔德熟化促使晶体内部的小晶核不断溶解，进一步促进了晶体中空结构的形成。4)奥斯特瓦尔德熟化和油酸的导向作用是棒状纳米铜的生成的主要原因。首先油酸分子的导向作用使晶体各个晶面上的生长速度产生差别，使晶体朝着某些晶面方向优先生长；其次，奥斯特瓦尔德熟化也有利于初级纳米铜颗粒逐步组装形成一维棒状纳米铜。5)花状纳米铜的形成主要是奥斯特瓦尔德熟化和螺旋位错生长共同作用的结果。产物通过奥斯特瓦尔德熟化过程的不断生长，经历了从细小颗粒到片状的变化过程；随着纳米片浓度的不断增大，体系中小晶核绕着晶面上的螺旋错位进行逐层生长；由于温度对片状结构的形成有一定的影响，因此对于花状结构产物的生成也存在一定的影响。
　　 4.通过对润滑油的摩擦系数和磨斑直径随纳米铜含量、摩擦时间、载荷及转速的变化规律进行研究，分析了各种形貌纳米铜作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能。在摩擦过程中，添加剂与摩擦面相结合，形成均匀光滑的润滑膜，从而减小了摩擦系数，降低了磨损量，同时对摩擦表面原有的磨痕进行了填塞，显著地提高了150N基础油的减摩抗磨能力及承载能力。负磨损现象的存在以及摩擦表面纳米铜颗粒的沉积都证明了当球状和空心球状纳米铜作润滑油添加剂时，磨损表面存在着一种沉积自修复机制。当树枝状、棒状和花状纳米铜作为添加剂时，基础油的黏度及添加剂不规则的形貌特征都不利于改善基础油的抗磨性能；2)当树枝状、棒状和花状纳米铜作为添加剂时，其在磨损面的沉积修复作用弱于不规则结构对磨擦面的进一步磨损，因此对基础油抗磨性能的改善不大。此外黏度的增加也不利于改善基础油的抗磨性能。