纳米粒子在高分子加工、摩擦学及超精表面加工中的应用研究

摘要

纳米材料是廿一世纪极具发展前途的新材料，在许多领域有着广泛的应用前景。但由于其分散至今尚是关键技术，限制了纳米材料的大量应用。本文通过纳米金刚石和廉价的天然纳米材料凹凸棒土的表面改性，探索性研究了它们在摩擦学、聚合物材料和超精表面加工中的应用。主要研究结果为： 1.用水溶性高分子聚乙二醇和数种实验室合成和/或商品表面活性剂作为分散稳定剂，将纳米金刚石分散于水相制备了多种稳定性良好的水基润滑剂，在四球机上考察了它们的摩擦学特性，实验表明，纳米金刚石具有良好的抗磨减摩效果，应用扫描电子显微镜分析了它们的摩擦表面。基于实验结果，探讨了纳米金刚石的润滑作用机理，认为纳米颗粒的滚珠微球作用和/或金刚石与摩擦副材料的合金化是纳米金刚石具有抗磨减摩作用的重要原因。 2.采用无水乙醇为分散介质，将表面改性的纳米金刚石与聚四氟乙烯乳液充分混合分散，将混合物过滤烘干、粉碎过筛，模压成型、然后烧结得到纳米金刚石/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料，用M-200型磨损试验机研究了复合材料的摩擦磨损行为，结果表明，随着超细金刚石含量的增加，摩擦系数变化不大，而磨损率由625.81×10-15m3/N.m急剧降到8.62×10-15m3/N.m。用扫描电子显微镜(SEM)观察了复合材料的断面形貌、摩擦磨损表面及磨屑，指出纳米金刚石降低PTFE磨损的机理是由于球状金刚石纳米粒子在摩擦界面起纳米滚珠的作用，使聚四氟乙烯摩擦形式从单纯的大分子链的滑动摩擦形式变成滑动与滚动摩擦的混合形式，从而显著降低了聚四氟乙烯的磨损。纳米金刚石在降低PTFE的磨损上具有巨大潜力，是一潜在的无污染纳米固体抗磨剂，值得重视。 3.用聚氧乙烯型或多元醇型非离子表面活性剂作分散剂可将纳米金刚石稳定分散于润滑汕中，将纳米金刚石黑粉分散在重质矿物油中可制得纳米磨合油，纳米磨合油具有潜在的应用前景：将纳米金刚石分散于轻质矿物油中可制得纳米抛光液，这种抛光液应用于计算机磁头的精抛光，可消除磁头研磨超精抛光中出现的划痕和黑点，能大幅度降低计算机磁头的表面粗糙度，使精抛后的磁头表面粗糙度降至0.04nm以下。故纳米金刚石在硬盘磁头行业磁头超精抛光中是一种理想的超精抛光材料，但由于纳米金刚石太硬，抛光时磁头的金导线很容易断，因此急待寻找新型的纳米材料。 4.采用廉价的天然矿藏资源凹凸棒土，通过改性，获得粒径小、分布窄的凹凸棒土，其长经比在27：1～80：1之间，具有短纤维针状结构，是一种无机纳米材料。用它作丁腈橡胶的补强剂，替代碳黑和白碳黑，制备得到凹凸棒土丁腈橡胶复合材料，实验测试表明，改性纳米凹凸棒土具有补强作用，提出了纳米凹凸棒土的补强机理，纳米小纤维凹凸棒土在的取向和小尺寸效应是凹凸棒土增强丁腈橡胶的主要原因，制备的纳米改性丁腈橡胶在油田具有广泛的工程应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1纳米材料的特性及应用

1.2纳米金刚石简介

1.3本文纳米金刚石的应用研究思路

1.4纳米凹凸棒土简介

1.5本文凹凸棒土应用研究

1.6本报告研究内容和结果简介

第二章水基纳米金刚石的摩擦学性

1.主要仪器和材料

2.2实验

2.3纳米金刚石在聚乙二醇中的摩擦学性能

2.3.1超细金刚石的显微结构

2.3.2 UFD在三种聚乙二醇润滑液中的分散性

2.3.3含UFD聚乙二醇的摩擦学性能

2.4 UFD在聚乙二醇溶液中的抗磨机理初探

2.5高水基纳米金刚石的摩擦特性

2.5.1润滑剂一:1%吐温80+1%植物油+1%UFD+水

2.5.2润滑剂二:油酸三乙醇胺和(3%)+1%UFD+水

2.5.3润滑剂三:2%油酸三乙醇胺+2%吐温80+2%Oπ10+4%PEG-200+1%UFC+水

2.5.4润滑剂四

2.5.4润滑剂五

2.6 5种UFD高水基润滑剂的摩擦特性讨论

2.7润滑机理探讨

2.8结论

第三章纳米金刚石在超精表面加工中的应用

3.1纳米金刚石在润滑油中的分散

3.1.1改性前后纳米金刚石的极性变化

3.1.2润滑油粘度的影响

3.2纳米磨合油的摩擦学特性

3.3纳米金刚石在计算机磁头精抛光中的应用

3.3.1磁头结构

3.3.2硬盘磁头的研磨与抛光工艺

3.3.3 CTL抛光装置

3.3.4纳米金刚石抛光液PH值的影响

3.3.5抛光液中阴离子Cl-和SO42-影响

3.3.6纳米抛光液的抛光效果及新型纳米抛光材料的研制

3.3.7对镀类金刚石膜DLC的影响

3.4结论

第四章聚合物的纳米改性技术

4.1纳米金刚石在聚合物和润滑油中的分散原理概述

4.2 UFD改性PTFE

4.2.1实验

4.2.2超细金刚石的显微结构

4.2.3摩擦系数

4.2.4磨损率

4.2.5减磨机理

4.2.6结论

4.3纳米凹凸棒土的显微结构分析

4.3.1凹凸棒土超纯化处理方法建立及意义概述

4.3.2实验部分

4.3.3凹凸棒土的显微结构

4.3.4热失重分析

4.3.5结论

4.4纳米凹凸棒土/丁腈橡胶复合材料的制备与性能

4.4.1实验部分

4.4.2纳米级凹凸土对丁腈橡胶工艺性能的影响

4.4.3凹凸土用量对丁腈橡胶性能的影响

4.4.4凹凸土提高丁腈橡胶性能机理初探

4.4.5纳米凹凸土改性丁腈橡胶的补强机理

4.4.6结论

4.5本章结论

第五章结语与展望

参考文献

致谢

个人简历