四種維度碳納米微粒的潤(rùn)滑性能研究.pdf

1、從維度和微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看,碳元素的同素異構(gòu)體最為全面、豐富,零維的富勒烯 C60呈完美的球形,一維的碳納米管呈管狀,二維的石墨烯呈極薄的片狀以及三維的層狀石墨。它們都具有特定的自潤(rùn)滑特性,有成為“分子滾珠(軸)”潤(rùn)滑添加劑的潛力,在流體及固體潤(rùn)滑領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。本文對(duì)四種碳納米添加劑在潤(rùn)滑油中的分散行為、潤(rùn)滑性能及其作用機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　采用離心沉降和吸光值測(cè)定等方法考察了5種表面活性劑對(duì)納米石墨在潤(rùn)滑油中的分散穩(wěn)定性

2、,確定了在潤(rùn)滑油中最適合分散碳納米添加劑的表面活性劑及其使用濃度。結(jié)果表明,油酸是碳納米添加劑在潤(rùn)滑油中提高分散穩(wěn)定性最有效的表面活性劑,油酸的適宜濃度為2﹪。這主要是緣于油酸作為表面活性劑具有低的HLB(Hydrophile-Lipophile Balance)值、良好的親油性以及油酸對(duì)碳納米添加劑在潤(rùn)滑油中的分散屬于L型吸附等溫線類(lèi)型。
　　超聲波分散是提高碳納米添加劑在潤(rùn)滑油中的分散效率和穩(wěn)定性非常有效的工藝方法。不同碳納米

3、添加劑的結(jié)構(gòu)致密程度不同,合適的超聲波分散時(shí)間也不同,納米石墨、石墨烯合適的分散時(shí)間為30min,而碳納米管的則需達(dá)到120min。
　　采用油酸和超聲波分散相結(jié)合的方式可有效提高納米石墨、碳納米管和石墨烯在潤(rùn)滑油中的分散穩(wěn)定性,但也由于不同碳納米添加劑在比表面積、堆密度上的差別也產(chǎn)生了明顯的差別。由于碳納米管結(jié)構(gòu)致密分散困難,超聲波分散時(shí)間長(zhǎng),但實(shí)現(xiàn)良好分散后仍可表現(xiàn)出好的穩(wěn)定性;而石墨烯形態(tài)十分松散,比表面積非常大,在潤(rùn)滑油中

4、分散最為容易并可保持高的穩(wěn)定性;而納米石墨在分散容易程度和穩(wěn)定性方面而介于碳納米管和石墨烯之間。富勒烯則以其特殊的球形結(jié)構(gòu)能夠容易地溶于環(huán)狀結(jié)構(gòu)的甲苯等有機(jī)溶劑中,有效解決了在潤(rùn)滑油中的分散問(wèn)題。
　　采用四球機(jī)全面考察了3種不同粒徑石墨、碳納米管、石墨烯和富勒烯在潤(rùn)滑油中的潤(rùn)滑性能,并采用SEM分析了磨斑形貌。結(jié)果表明,石墨在潤(rùn)滑油中具有優(yōu)異的抗磨、減摩性能和一定的極壓性能,納米石墨的性能要明顯好于微米石墨,特別是35nm和10

5、0nm石墨在中低負(fù)荷、50ppm35nm石墨和200ppm100nm石墨在高負(fù)荷下的抗磨性能十分突出,以及高負(fù)荷下納米石墨的減摩性能也十分優(yōu)異;石墨烯也具有優(yōu)異的抗磨性能和減摩性能,特別是200ppm濃度的石墨烯在高負(fù)荷下也表現(xiàn)得十分優(yōu)異;50ppm和100ppm的碳納米管在中低負(fù)荷下表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗磨性能,濃度增大中低負(fù)荷下的抗磨性能有變差的趨勢(shì),高負(fù)荷下抗磨性能都不好,但磨損后碳納米管的修復(fù)作用表現(xiàn)出了良好的減摩性能;100ppm濃

6、度以上的富勒烯在高負(fù)荷下表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗磨性能,其它負(fù)荷下的抗磨性能和減摩性能都表現(xiàn)得非常一般。
　　采用四球?qū)嶒?yàn)方法考察了富勒烯、碳納米管、石墨烯和納米石墨的不同復(fù)配組合的潤(rùn)滑性能,并采用SEM分析了磨斑形貌及其作用機(jī)理。結(jié)果表明,富勒烯與碳納米管、石墨烯的復(fù)合使用取得了理想的效果,有效提高了各種負(fù)荷下的潤(rùn)滑性能,全面提高了油品的潤(rùn)滑性能;而碳納米管與納米石墨的復(fù)合使用,只是保持了單劑時(shí)的性能,沒(méi)有取得更突出的潤(rùn)滑性能。究其原因

7、,碳納米添加劑的復(fù)合使用不像含有硫、磷等活性元素的添加劑的復(fù)合使用能在摩擦過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì),不同添加劑在潤(rùn)滑性能只是上產(chǎn)生了加和作用,并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的協(xié)同效應(yīng)。
　　依據(jù)不同碳納米添加劑的潤(rùn)滑性能結(jié)果,構(gòu)建了碳納米添加劑的潤(rùn)滑作用機(jī)理模型,并根據(jù)各種碳納米添加劑最佳潤(rùn)滑性能的使用濃度提出了納米顆粒分散度的理論概念。結(jié)果表明,合適濃度的納米石墨、石墨烯在低負(fù)荷下能夠有效修復(fù)摩擦副表面獲得良好的抗磨性能,而高負(fù)荷下

8、能夠形成致密的潤(rùn)滑膜層阻止了劇烈磨損的出現(xiàn),全方位提高了油品的潤(rùn)滑性能;碳納米管在低負(fù)荷下可能產(chǎn)生了滾動(dòng)軸承的作用,有效提高了油品的潤(rùn)滑性能,由于超大的長(zhǎng)徑比制約了高負(fù)荷下牢固潤(rùn)滑膜層的形成,無(wú)法避免劇烈磨損的出現(xiàn),但仍表現(xiàn)出了優(yōu)異的減摩性能;完全溶于油品的富勒烯在中、低負(fù)荷下增大了潤(rùn)滑油的內(nèi)摩擦力,油品的減摩性能有變差的趨勢(shì),而依靠其極強(qiáng)的耐壓能力,在高負(fù)荷下有效阻止了劇烈磨損的出現(xiàn),表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗磨性能。
　　納米石墨在航空