水溶性铜基纳米材料的制备及其摩擦学性能研究

发布时间：2020-08-19 17:59

【摘要】：随着水基润滑剂应用范围的扩大,进一步提高水基润滑剂的综合性能,如摩擦学性能及导热性能,已经成为目前水基润滑剂研究的热点。研究发现,在润滑剂中添加纳米微粒能够显著地提高其综合性能。在众多的纳米微粒中,铜基纳米微粒添加到润滑剂中显示出优异的减摩抗磨性能及自修复能力,并且铜基纳米微粒是一种导热性良好的材料。因此,为了更好地提高水基润滑剂的综合性能,本文采用原位表面修饰技术制备了水溶性Cu、CuS和CuO纳米材料,将其作为水基润滑添加剂研究其摩擦学性能和导热性能并探究其摩擦学机制。主要的研究内容和结果如下:(1)Cu纳米微粒的制备及其作为水基润滑添加剂的性能研究制备出二羟已基二硫代氨基甲酸(HDA)作为修饰剂,运用原位表面修饰技术在室温25℃条件下制备出粒径约为3 nm的水溶性Cu纳米微粒并作为水基润滑添加剂。运用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见吸收光谱仪(UV-vis)、X射线光电子能谱仪(XPS)、红外光谱仪(FT-IR)及热重分析仪(TGA)对制备的HDA修饰的Cu纳米微粒(HDA-Cu)的尺寸、形貌、相组成及化学结构进行分析;用UMT-2微型摩擦试验机对制备的HDA-Cu纳米微粒在蒸馏水中的摩擦学性能进行研究。结果表明,制备的HDA-Cu纳米微粒添加到蒸馏水中能够显著提高蒸馏水的减摩抗磨性能,最佳浓度0.4 wt%时,摩擦系数和磨损率与蒸馏水相比分别降低81.7%和69.1%。用三维(3D)表面轮廓仪及XPS对磨损表面的形貌及化学元素价态进行检测,得出摩擦机理为:在摩擦过程中发生摩擦化学反应,生成了含有Cu、Fe_2O_3、Fe_2(SO_4)_3、FeS及含氮有机化合物的复杂边界润滑膜,极大地提高了蒸馏水的减摩抗磨性能。用导热系数测定仪(TC)对其导热性能进行测试,研究发现随着HDA-Cu纳米微粒浓度的增加,导热系数逐渐增大,最佳浓度时导热系数可提高3%,是因为水溶液中一部分Cu纳米微粒可以改善传热过程,提高冷却效率,从而降低摩擦副的局部温度。(2)CuS纳米微粒的制备及其作为水基润滑添加剂的性能研究用过量的二羟已基二硫代氨基甲酸(HDA)作为修饰剂,同时又作为反应物提供硫源,用原位表面修饰技术在温和的条件下制备出形貌均一、水溶性良好、直径约为4 nm的HDA修饰的CuS纳米微粒(HDA-CuS),并将其作为水基润滑添加剂。利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见吸收光谱仪(UV-vis)、红外光谱仪(FT-IR)及热重分析仪(TGA)对制备的HDA-CuS纳米微粒的尺寸、形貌、相组成及化学结构进行分析;利用UMT-2微型摩擦试验机和导热系数测定仪(TC)对制备的HDA-CuS纳米微粒在蒸馏水中的摩擦学性能及导热性能进行研究。发现制备的HDA-CuS纳米微粒可以显著地提高蒸馏水的摩擦学性能和导热性能,在最佳浓度0.8 wt%时,相比较蒸馏水摩擦系数和磨损率分别降低78.3%和93.7%,导热系数提高3%。用三维(3D)表面轮廓仪及X射线光电子能谱仪(XPS)对磨损表面进行分析,得出在摩擦过程中,在摩擦副表面生成了一层复杂的润滑膜,提高了蒸馏水的减摩和抗磨性能。(3)CuO纳米材料的制备及其作为水基润滑添加剂的性能研究利用Cu(OH)_2热分解法,调节修饰剂种类及反应温度和反应时间制备出三种不同形貌的CuO纳米材料,作为水基润滑添加剂研究其摩擦学性能和导热性能。运用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见吸收光谱仪(UV-vis)、红外光谱仪(FT-IR)及热重分析仪(TGA)对制备的三种CuO纳米材料的尺寸、形貌、相组成及化学结构进行分析;利用UMT-2微型摩擦试验机和导热系数测定仪(TC)对制备的三种CuO纳米材料添加到蒸馏水中的摩擦学性能和导热性能进行研究。发现三种不同形貌的CuO纳米材料添加到蒸馏水中均具有良好的减摩效果,并且对于硬质摩擦副(氮化硅球)表现出良好的抗磨效果,对于质软摩擦副(304不锈钢片)表现出增磨效果,同时均能在很大程度上提高蒸馏水的导热性能。用三维(3D)表面轮廓仪和X射线光电子能谱仪(XPS)对磨痕表面分析,得出在摩擦表面有硬质结构生成,在一定程度上对钢片产生磨粒磨损,表现出增磨效果。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH117.22;TB383.1
【图文】：

示意图,反应路径,水溶性,纳米微粒

接下来的试验中作为制备水溶性 Cu 纳米微粒的修饰剂使用。制备 HDA 的合成路线及光学图片如图 2-1 所示。接下来，用制备的 HDA 用作修饰剂制备 Cu 纳米微粒。首先，在 100 mL 单口烧瓶中，将 2 mmol Cu(NO3)2·3H2O（4 mL，0.5 M）溶解在 20 mL 蒸馏水中。然后，在磁力搅拌条件下，将 2 mmol 十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）加入到单口烧瓶中，搅拌 20 min以确保 CTAB 完全溶解。然后，在磁力搅拌下再将 0.44 g PVP 加入到单口烧瓶中，搅拌10 min。用移液枪量取 2 mL 水合肼（含量 80％），立即加入单口烧瓶中，溶液很快变成浅棕色。在磁力搅拌下反应持续 10 min 后，将溶解于 20 mL 无水乙醇中的 10 mmol 的HDA 溶液立即倒入单口烧瓶中。反应体系颜色迅速变成深褐色。盖上瓶塞，反应持续 1h，获得预期的水溶性 Cu 纳米微粒的红棕色液体。所有反应温度均为室温（约 25℃）。水溶性铜纳米微粒的反应路径，结构和光学图片如图 2-1 所示。可以看出，所制备的水溶性铜纳米微粒呈均匀的红棕色液体，不产生沉淀，在蒸馏水中表现出优异的分散性。

吸收光谱,纳米微粒,尺寸分布,水溶性

图 2-4 水溶性 Cu 纳米微粒不同放大倍数的 TEM 图像，SAED 图案和尺寸分布图用红外光谱仪探究 HDA 与 Cu 纳米微粒之间的相互作用。图 2-5(a) 是表面修饰剂HDA 和表面修饰的 Cu（HDA-Cu）纳米微粒在 400-4000 cm-1范围内的 FT-IR 光谱。对于纯的 HDA 而言，和预期的一样，在 3321 cm-1处产生的宽的吸收峰，对应于羟基[79]并且在 1614 cm-1处的吸收峰是 O-H 弯曲振动。出现在 2877 cm-1和 2947 cm-1处的吸收峰分别属于 C-H 的对称和不对称伸缩振动。在 HDA-Cu 纳米微粒的 FT-IR 光谱中也具有-CH2（2854 和 2927 cm-1）的吸收峰和 O-H 伸缩和弯曲振动峰，但 O-H 的吸收峰向更高的波长（3431 和 1629 cm-1）移动，这是由于表面修饰剂 HDA 与 Cu 纳米微粒结合在一起的缘故[80]。C-N 的吸收峰位于 1251-1351 cm-1之间，C=N 的吸收峰位于 1641-169cm-1之间，在 HDA 的吸收光谱中存在介于 C-N 和 C=N 之间的吸收峰（1458 cm-1），是因为在 HDA 中存在介于碳氮单键与双键之间的键[81]，并且此特征键保留在水溶性 C纳米微粒中。此外，在纯的 HDA 光谱中存在 1195 和 880 cm-1的吸收峰，分别归因于C=S 和 C-S 键的振动，这在水溶性 Cu 纳米微粒的吸收光谱中不存在，但在 1114 cm

吸收光谱,表面修饰剂,纳米微粒

【参考文献】