Al2O3/TiO2复合纳米粉体作为润滑油添加剂的性能研究

摘要

近年来，纳米材料的应用研究备受关注，如光学应用、电学应用及力学应用等，而在这些研究中，纳米材料用作润滑油添加剂的研究工作是一个极其重要的课题。纳米材料作为润滑添加剂对润滑油的使用性能有很大的提高，显示出传统固体润滑添加剂无法相比的优越性，极有希望成为一类新型润滑材料。研究还发现，不同类型的纳米润滑油添加剂加入到润滑油中，可以产生单一纳米添加剂无法比拟的效果，发生加合效应、协同效应和对抗效应，它们之间的相互作用对润滑油的使用性能有着直接的影响。因此，研究纳米润滑添加剂之间的相互作用具有重要的现实意义。但目前对这方面的研究很少，而从理论上讲，选择数种纳米材料组成复合纳米添加剂以形成不同类型的润滑添加剂，应具有较好的抗磨减摩作用。
　　 Al2O3纳米粉体和TiO2纳米粉体分别用作润滑添加剂，均具有优良的抗磨减摩效果。为充分发挥两种纳米粉体的加和、协同等效应，将制备AL2O3/TiO2复合纳米粉体，并探讨其作为润滑油添加剂的抗磨减摩性能。
　　 采用水热法和煅烧法制备出Al2O3/TiO2复合纳米粉体，并对其进行表面接枝改性和原位改性，实现Al2O3/TiO2复合纳米粉体表面由亲水憎油性到亲油憎水性的转变,改善其在润滑油中的分散性和稳定性。
　　 在水热法制备试验中，以Al/Ti的摩尔比、水热温度、保温时间为考察因素；在煅烧法制备试验中，以煅烧温度、Al/Ti的摩尔比、保温时间为考察因素。以粉体粒度为考察指标，得出了水热法和煅烧法制备Al2O3/TiO2复合纳米粉体的最佳工艺参数。对比两种制备方法发现，水热法制备Al2O3/TiO2复合纳米粉体优于煅烧法制备Al2O3/TiO2复合纳米粉体。水热法最终制备的Al2O3/TiO2复合纳米粉体平均粒径为87nm，且形状近似球形。对制备最优的复合纳米粉体进行了激光粒度分析、扫描电子显微镜分析及Zeta电位分析。
　　 在原位改性试验中，以改性剂的种类、改性剂的用量、Al/Ti摩尔比、水热温度为考察因素；在表面接枝改性试验中，以改性剂的用量、pH值、改性时间为考察因素。以吸光度大小为考察指标，得出原位改性和表面接枝改性的最佳工艺参数。对改性后的AL2O3/TiO2复合纳米粉体进行Zeta电位和SEM分析，发现改性后的AL2O3/TiO2复合纳米粉体团聚现象得到控制，分散性得到提高。对改性后的纳米颗粒进行红外光谱分析，结果表明:表面改性剂丙烯酸以化学键的形式与Al2O3/TiO2复合纳米粉体表面的羟基结合，从而使Al2O3/TiO2复合纳米粉体的表面自由能降低，表面极性由亲水憎油性变成亲油憎水性，与有机介质具有良好的相容性。
　　 利用MMU-10G型摩擦磨损试验机测定Al2O3/TiO2复合纳米粉体作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能。通过实验发现，当Al/Ti摩尔比为2∶1时，复合纳米颗粒的抗磨减摩效果最好。在四球摩擦磨损试验中，当Al/Ti摩尔比为2∶1，纳米颗粒的质量分数为0.1wt％时，抗磨减摩效果最好，此时平均摩擦系数最大降幅为9.77％，磨斑直径最大降幅为12.08％。通过与Al2O3、TiO2混合纳米颗粒的摩擦试验对比后发现:Al2O3/TiO2复合纳米颗粒的减摩性能优于TiO2、Al2O3混合纳米颗粒的减摩性能。在止推圈摩擦磨损试验中，当Al/Ti摩尔比为2∶1，纳米颗粒的质量分数为0.1wt％时，抗磨减摩效果最好，此时平均摩擦系数最大降幅为14.75％，并出现了负磨损现象，摩擦副质量增加了3.7mg。
　　 通过对摩擦试验分析，得出复合纳米粉体的抗磨减摩机理如下:首先，由于纳米颗粒近似为球形，将摩擦副之间的滑动摩擦变滚动摩擦，降低摩擦系数；其次，纳米粒子向摩擦副表面沉积、螯合固化，对摩擦副表面进行保护及修复，增加摩擦副的抗磨性能；第三，纳米颗粒与摩擦副表面金属元素发生合金化，提高摩擦副表面的硬度，增加摩擦副表面的耐磨性。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1.1 纳米材料的概述

1.1.1 纳米材料的定义

1.1.2 纳米材料的性质

1.1.3 纳米材料学及其主要应用领域

1.1.4 复合纳米材料的研究进展

1.2 纳米润滑油添加剂的概述

1.2.1 纳米润滑添加剂的润滑机理

1.2.2 纳米润滑油添加剂的特点

1.2.3 纳米润滑油添加剂的种类

1.2.4 纳米润滑油添加剂的研究意义

1.3 纳米润滑油添加剂的研究进展

1.3.1 研究现状

1.3.2 研究水平

1.3.3 存在的问题

1.3.4 纳米材料作为润滑油添加剂的展望

1.4 纳米润滑油添加剂的制备及表面改性

1.4.1 纳米润滑油添加剂的制备

1.4.2 纳米润滑油添加剂的表面改性

1.5 Al2O3、TiO2纳米颗粒作为润滑油添加剂的研究现状

1.5.1 纳米氧化钛润滑添加剂研究现状

1.5.2 纳米氧化铝润滑添加剂研究现状

1.5.3 复合纳米颗粒应用于润滑油添加剂的探索及研究

1.6 研究目的及意义

1.6.1 研究目的

1.6.2 研究意义

1.7 论文研究内容

第二章 Al2O3/TiO2复合纳米粉体的制备与表征

2.1 试验原料及仪器

2.1.1 试验原料

2.1.2 试验仪器

2.1.3 测试仪器

2.2 试验中所选试剂原理和作用

2.3 试验过程

2.3.1 水热法

2.3.2 煅烧法

2.4 粉体的表征

2.5 结果与分析

2.5.1 正交试验结果与分析

2.5.2 优化试验结果与分析

2.6 本章小结

第三章 Al2O3/TiO2复合纳米粉体的表面改性与表征

3.1 试验原料及仪器

3.1.1 试验原料

3.1.2 试验仪器

3.1.3 测试仪器

3.2 表面改性的目的及原理

3.2.1 表面改性的目的

3.2.2 表面改性的原理

3.3 试验过程

3.3.1 原位改性

3.3.2 表面接枝改性

3.4 粉体的表征

3.5 结果与分析

3.5.1 正交试验结果与分析

3.5.2 优化试验结果与分析

3.6 本章小结

第四章 抗磨减摩试验研究

4.1 试验原料及仪器

4.1.1 试验原料

4.1.2 试验仪器

4.1.3 测试仪器

4.2 试验过程

4.2.1 试验用油的配置

4.2.2 四球摩擦磨损试验

4.2.3 止推圈摩擦磨损试验

4.2 摩擦磨损试验结果及分析

4.2.1 四球摩擦磨损试验结果及分析

4.2.2 止推圈摩擦磨损试验结果及分析

4.3 抗磨减摩机理探讨

4.4 本章小结

第五章 结论与创新点

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 今后研究方向

5.3.1 研究内容

5.3.2 研究思路

参考文献

致谢

附录