几种纳米颗粒在润滑油中的摩擦学行为研究

发布时间：2020-08-11 11:45

【摘要】：行星滚柱丝杠作为一种新型的传动机构,具有应用范围广、机械性能优异等特点,受到国内外学者的广泛关注,针对行星滚柱丝杠的摩擦学问题,目前主要针对摩擦力矩的组成及影响因素进行研究,但关于其润滑方式的研究相对较少,对润滑油的摩擦学性能的基础研究不够系统,鉴于此,本文以行星滚柱丝杠为课题背景,对含纳米颗粒润滑油的摩擦学性能进行研究,研究成果不单单可以应用到行星滚柱丝杠上,同样也可以应用到其他机械传动部件上。众所周知,润滑油中添加剂的性能及含量决定着润滑油的优劣,对机械的运行起着至关重要的作用。所以找到合适的添加剂、提升添加剂的性能以及确定其最佳含量对润滑油性能的提升有着重大的意义。本文选用了三种摩擦学性能较优的纳米材料,分别为石墨烯、纳米ZnO、纳米TiO_2,并根据行星滚柱丝杠的运行工况进行了摩擦学实验的参数设计。针对石墨烯的摩擦学性能进行研究,以500SN矿物油作为基础油,配制出不同浓度的石墨烯油样,采用超声震荡的方法对其进行分散,研究了石墨烯在润滑油中的分散性问题,由于石墨烯是由石墨制备而来的两者具有相似的片层结构,故以纳米石墨作为参照,对比探究了添加浓度、载荷和速度条件对含纳米颗粒润滑油摩擦学性能的影响,绘制出摩擦系数-浓度、摩擦系数-载荷、摩擦系数-转速等曲线,总结规律,突出石墨烯的特殊性能,并通过对钢球的磨痕表面分析,总结石墨烯的摩擦学机理。针对纳米ZnO与纳米TiO_2的表面改性手段与摩擦学性能进行研究,分别利用油酸、硬脂酸对纳米ZnO和纳米TiO_2进行表面改性,并通过热重分析、X射线衍射和傅里叶红外光谱实验对改性后的纳米颗粒进行了表征,验证改性剂是以化学键的形式链接在了纳米颗粒的表面上,对比改性前后纳米颗粒在油基润滑剂中的分散稳定性,得出表面改性可以提高纳米颗粒与油基润滑剂的互溶性,利用四球摩擦磨损试验机进行了大量的对比摩擦学试验分析了改性前后纳米颗粒在不同工况下的适用条件,并通过能谱分析与扫描电镜对改性纳米颗粒油样润滑条件下钢球磨痕表面进行了分析,研究减摩抗磨机理。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH117;TB383.1
【图文】：

行星滚柱丝杠,结构示意图

柱丝杠最早的出现是在1992年瑞典人Strangren的专利中[2]，如图1-1所示，其组成结构包括滚柱、丝杠、螺母等，主要零件之间的接触形式为点接触，这种结构具有结构尺寸小、承载能力大、接触点多、使用寿命长及环境适应性好等优点[3]，已初步在机床、化工、航空航天等领域广泛应用[4]。图1-1 行星滚柱丝杠结构示意图国内外关于行星滚柱丝杠摩擦学方面的研究均有不同程度的涉及，在 1996 年SKF 公司的 Pierrec C.Lemor 通过实验研究了行星滚柱丝杠副的失效机理与形式，并研究了行星滚柱丝杠副的传动效率[2]。美国加州大学的 Steven A.Velinsk 等人[5]分析了理想工况和滑移工况下行星滚柱丝副传动效率的异同。摩擦问题对行星滚柱丝杠的传动效率具有重大影响，因此减小摩擦磨损、提升润滑油性能对提升行星滚柱丝杠的传动效率具有重要意义。国内，早在 1992 年华中科技大学的靳谦忠教授

石墨,结构示意图,氧化石墨

a) 单层石墨烯结构 b) 所有石墨烯的母体图 1-2 石墨烯的结构示意图在国外研究中，Sundara Ramaprabhu 等人[19]成功的剥离氧化石墨制备出使用的技术为太阳能辐射聚焦技术。并将制备的石墨烯添加到基础油中加石墨烯的基础油的减摩性能相比基础油提升了 80%。Sumant 等[20]利用大约2~3层的石墨烯沉积到钢材表面上，并利用 CSM 测试其摩擦系数，，相比未沉积石墨烯的情况摩擦系数下降了 17%。Om P. Khatri 等人[21]探长链烷基修饰氧化石墨烯并将其还原的方法，研究结果表明，修饰后的润滑油中的最优添加浓度为 0.02mg/mL，有效的降低了摩擦磨损。Kim 等摩擦力显微镜探究了石墨烯片层的旋转角度对摩擦性能的影响，对比实现，当石墨烯的旋转角度为 60°时，摩擦系数下降了大约 30%。Adolfo Sen[23]发现要想解决石墨烯的分散性问题，添加分散剂要比对石墨烯进行表加常用且效果更加明显。Sandoz-Rosado 等人[24]通过分子动力学模拟探究作为固体润滑剂的摩擦与润滑机理。在国内研究中，南京理工大学张永康[25]研究将氧化石墨烯通过肼还原法

几种纳米颗粒在润滑油中的摩擦学行为研究

TiO2结构

【参考文献】