納米氧化鈰和銅粒子用作潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、納米技術(shù)跨越多個(gè)學(xué)科，涉及面十分廣泛，在眾多領(lǐng)域乃至整個(gè)社會(huì)生活中都產(chǎn)生了巨大的影響，例如在物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)以及計(jì)算機(jī)仿真等領(lǐng)域。納米粒子是上個(gè)世紀(jì)80年代出現(xiàn)的，即粒徑小于100nm的粉體粒子。相比而言，人的頭發(fā)的直徑也在20000nm左右，而平時(shí)煙粒粒徑也在1000nm左右。正是由于納米粒子這么小，使得它有不同于宏觀物質(zhì)下的小尺寸效應(yīng)、界面與表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)。由于納米粒子是介于宏觀和微觀之

2、間的典型介觀物質(zhì)，具有不同于宏觀物質(zhì)下的許多物理、化學(xué)等特性，使得納米技術(shù)在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用也受到了人們廣泛的重視。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，基于納米技術(shù)的潤(rùn)滑油即使在苛刻條件下，潤(rùn)滑油的極壓性能和抗磨性能也都很穩(wěn)定。這種納米潤(rùn)滑劑大大減少了機(jī)械設(shè)備的磨損，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率：延長(zhǎng)了潤(rùn)滑油的換油周期，降低了設(shè)備的噪音、振動(dòng)以及尾氣的排放。因此，使用這種潤(rùn)滑油可以降低對(duì)機(jī)械設(shè)備的維護(hù)成本，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益

3、。 將添加劑加入到潤(rùn)滑油源于上個(gè)世紀(jì)20年代，添加劑的使用極大地改善了潤(rùn)滑油的性能。隨著現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)傳送裝置、火車(chē)、船舶柴油機(jī)以及其他各種類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備的的發(fā)展，潤(rùn)滑油添加劑也得到了很大的發(fā)展。目前，幾乎所有的潤(rùn)滑油都含有一種或多種添加劑，有的潤(rùn)滑油添加劑中的添加量已經(jīng)高達(dá)其質(zhì)量比的20％。整個(gè)潤(rùn)滑油行業(yè)越來(lái)越依賴(lài)添加劑對(duì)其提供良好的性能以及對(duì)其提供各種特殊條件的性能要求。潤(rùn)滑油添加劑的發(fā)展是根據(jù)汽車(chē)、船舶等工

4、業(yè)的特殊性能需要而得到較大發(fā)展的，因此，潤(rùn)滑油添加劑的最大市場(chǎng)還是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，例如汽車(chē)、火車(chē)和船舶等。潤(rùn)滑油添加劑的種類(lèi)很多。傳統(tǒng)的抗磨減摩油溶性添加劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，并且在苛刻環(huán)境下的性能很差。而現(xiàn)在，將納米粒子加入到潤(rùn)滑油中是一個(gè)新的研究方向。 近年來(lái)，在科學(xué)和生產(chǎn)領(lǐng)域，對(duì)納米晶體材料的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。美國(guó)、歐洲、日本和中國(guó)都在組建大規(guī)模的納米研究機(jī)構(gòu)和納米研究中心，對(duì)于納米材料在各個(gè)新領(lǐng)域的應(yīng)用，政府都給予

5、相當(dāng)?shù)墓膭?lì)和支持，并投入了大量的資金。但是，納米技術(shù)在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用卻是一度受到限制，主要是由于納米粒子在用作潤(rùn)滑油添加劑時(shí)納米粒子極容易團(tuán)聚。納米粒子易于團(tuán)聚的原因是因?yàn)榧{米粒子具有較高的表面活性，因此其極不穩(wěn)定而又極易團(tuán)聚，并且很難將其進(jìn)行很好的分散。然而，對(duì)納米粒子用作潤(rùn)滑油添加劑的研究卻是沒(méi)有放松過(guò)。近年來(lái)，一些研究機(jī)構(gòu)和高校的研究人員進(jìn)行了很多這方面的研究，也取得了一些成果。一些調(diào)查研究顯示，納米尺寸上的微粒將會(huì)是未來(lái)潤(rùn)滑添加

6、劑的主要研究方向。因此，還需要對(duì)這方面進(jìn)行更加深入的研究，以弄清楚影響納米粒子作用的多種因素。本文將對(duì)納米二氧化鈰粒子和納米銅粒子組合物用作潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究。 第一章介紹納米粒子的特性、潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑油添加劑的發(fā)展概況、納米粒子用作潤(rùn)滑油添加劑的抗磨、減磨機(jī)理以及本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀； 第二章介紹了納米二氧化鈰粒子和納米銅粒子的選用與表征； 第三章介紹了納米二氧化鈰粒子和納米銅粒子的分散性與表面改

7、性； 第四章介紹了納米二氧化鈰粒子和納米銅粒子組合物用作潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能研究； 第五章為結(jié)論和展望。 本文通過(guò)對(duì)納米二氧化鈰粒子和納米銅粒子組合物用作潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能的研究，得出的主要結(jié)論如下： 1．采用D/max-rB型旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極靶多晶X射線衍射儀測(cè)定了納米二氧化鈰粒子和納米銅粒子的晶體結(jié)構(gòu)和平均粒徑大小，同時(shí)用透射電子顯微鏡(TEM)觀察其形貌和測(cè)定粒徑的大小。測(cè)定結(jié)果為：納米二氧化鈰粒

8、子和納米銅粒子均呈球形，粒徑分別為10.4nm和60nm左右。 2．根據(jù)表面活性劑的親水親油平衡值(HLB值)選擇了Tween-20、Tween-60、Span-20和聚醚作為納米二氧化鈰粒子和納米銅粒子的表面活性劑，試驗(yàn)結(jié)果表明這幾種表面活性劑以及兩種納米粒子共同產(chǎn)生了很好的協(xié)同效應(yīng)，較好地解決了納米粒子在潤(rùn)滑油中的分散性和穩(wěn)定性問(wèn)題。本文采用的納米粒子的“膠囊化”為納米粒子的分散開(kāi)創(chuàng)了一條新的途徑。 3．按照GB/T

9、 12583—1998，在四球磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)納米二氧化鈰和納米銅粒子組合物添加劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：納米二氧化鈰和納米銅粒子組合物添加劑明顯地改善了潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能，并且納米粒子可以用作極好的抗磨、減摩添加劑：得出納米二氧化鈰和納米銅粒子組合物添加劑的最佳添加量為Wt<,CeO2>％：Wt<,Cu>％=1：1，Wt<,(CeO2+Cu)>％=0.6％左右。。在這個(gè)添加量下，納米潤(rùn)滑油有著較好的摩擦學(xué)性能，而高于或低于這個(gè)添

10、加量的添加方式，其效果都不是很好。 4．納米二氧化鈰和納米銅粒子在摩擦副表面起到類(lèi)似“微滾珠”的承載作用以及滑動(dòng)效應(yīng)。在小載荷下，納米粒子主要起微滾珠作用，但是在高溫重載的情況下，處于摩擦副表面間的納米粒子被擠壓成微薄片狀，從而分割摩擦表面的直接接觸，并且在其間形成了滑動(dòng)系，從而可以降低摩擦，減小磨損。 現(xiàn)在在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了一些帶有納米添加劑的潤(rùn)滑油，這種潤(rùn)滑油可以減少摩擦副間的摩擦，降低磨損，尤其是在高溫重載等比較苛

11、刻條件下顯示出了優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。但是要想使納米潤(rùn)滑油能真正的產(chǎn)業(yè)化，還需要進(jìn)行更深入的研究。建議以后的工作可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行： 1．對(duì)兩種或兩種以上納米粒子用作潤(rùn)滑油添加劑的協(xié)同機(jī)理進(jìn)行研究。 2．在納米粒子用作潤(rùn)滑油添加劑之前，首先要慎重地選取納米粒子，并對(duì)納米粒子進(jìn)行良好的表面改性，以使納米粒子能很好地穩(wěn)定分散在潤(rùn)滑油中，這樣才能更好的發(fā)揮納米粒子的優(yōu)越性能。 3．為了能使納米潤(rùn)滑油很好地在生產(chǎn)中得到推