金属纳米颗粒润滑添加剂减摩抗磨机理及性能的研究

发布时间：2020-07-13 10:58

【摘要】：在润滑工程领域，润滑油添加剂已经被广泛的应用于各种润滑油中，它们起到了减小摩擦系数，降低磨损量甚至对摩擦表面损伤部位进行修补的功能。尽管润滑油添加剂发展到现在，已经发展更新了四代，但是现有的润滑油添加剂都具有明显的不足，特别体现在对摩擦表面的修补作用上，这使得研究者们不断的寻找性能更加优异的材料用于润滑油添加剂。近年来，纳米材料的出现为润滑油添加剂的发展提供了一个新的选择。通过研究发现，添加有纳米颗粒的润滑油在摩擦学性能上得到了显著的提高。对纳米颗粒的减摩抗磨机理，大多数研究者认为，纳米颗粒在摩擦副间起到了垫片的作用，另一些研究者提出，纳米球形颗粒在摩擦面间存在微滚动作用，变滑动摩擦为滚动摩擦，减小摩擦系数。随着试验研究的进一步深入，更多的研究者发现，纳米颗粒可以沉积到摩擦表面的磨损部位，使摩擦表面得到修补。然而，到目前为止，纳米颗粒减摩抗磨以及修补作用的机理仍没有得到系统的研究。为了对纳米金属颗粒减摩抗磨机理做深入的研究，作者首先采用透射电子显微镜、高分辨率透射电子显微镜观察纳米金属颗粒的形貌；采用 X 射线衍射线线宽法测量纳米金属颗粒的粒度；采用 TG－DTA 热重差热分析仪测量了纳米金属颗粒的热性能。作者在摩擦磨损试验机上对添加有纳米铝颗粒的润滑油的摩擦学性能进行了研究，并绘制出 Stribeck 曲线。通过对磨痕表面的 SEM（扫描电镜）以及对摩擦后润滑油中纳米金属颗粒的 TEM（透射电镜）的测试分析，本论文对纳米铝颗粒在不同润滑状态下的减摩机理进行了深入的讨论，提出流体润滑状态下的微滚动作用和边界润滑状态下的垫片作用导致了减摩效果的产生。纳米金属颗粒对摩擦表面的修补作用是纳米金属颗粒作为润滑油添加剂研究中的基础问题。本研究在载体油中加入了纳米级金属铜粉、铁粉，在盘销摩擦磨损试验机上进行试验；对磨痕表面进行 SEM 和 STM（扫描隧道显微镜）以及 EDS（能量色散谱仪）分析；对纳米金属颗粒进行了热模拟试验。通过分析，本文提出了纳米金属颗粒在摩擦热的作用下，发生局部熔化后沉积在摩擦表面的修补机理。作者还利用四球试验机分别对添加有纳米铝粉、锡粉以及 Al/Sn 金属粉的润滑油进行极压和抗磨性能实验。采用 SEM 对摩擦表面进行观察，采用 EDS 对表面进行元素测定。本文通过对纳米金属颗粒的极压抗磨机理的探讨和分析得出锡粉在低载荷下起抗磨剂作用，铝粉在高载荷阶段起极压剂作用。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TH117.2
【图文】：

照片,纳米金属颗粒,透射电镜,照片

(h) 纳米铁颗粒 HRTEM 形貌(x1M)(h) HRTEM morphology of nano-iron particles (x1M)图 2-1 纳米金属颗粒的透射电镜照片Fig. 2-1 TEM morphologies of metal nano-particles金属颗粒的粒度验采用 XRD 对纳米金属颗粒粒度进行测量。射原理可知，物质的 X 射线衍射峰与物质内部的晶体结构有有其特定的结构参数（包括晶体结构类型，晶胞大小，晶胞的位置和数目等）。通过分析待测试样的 X 射线衍射峰，不仅成分，还能知道他们的存在状态，同时根据 X 射线衍射实验量分析、晶粒大小测定和晶粒的取向分析[38]。晶粒细化所引起的衍射峰展宽半高宽 (2θ)可以近似用谢乐 ( 2θ )=0.9×λ/(×cosθ)L

曲线,曲线,润滑类型,润滑剂粘度

3.1 引言3.1.1 摩擦的定义两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动（或具有相对运动趋势在接触面间产生切向的运动阻力叫做摩擦力，这种现象叫做摩擦。摩擦在自然界里是普遍存在的[39~43]。摩擦消耗大量能量，例如，现代汽动机约20％的功率为克服摩擦而损耗掉，纺织机械的功率约85％消耗于克服3.1.2 润滑类型1900～1902 年间，德国学者 Stribeck 通过对滚动轴承和滑动轴承的摩擦了研究，建立了著名的关于润滑剂粘度η 、滑动速度V 、负荷P 与摩擦系数关系曲线，称为斯特里贝克（Stribeck）曲线如图 3-1。

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铝粉在润滑油中为球形，无其它特征形貌。从图 3-3 中流体润滑区（CD 区）可见，载荷为 500N 时，含 1‰Al 粉的润滑油与空白油相比，减摩率为 4.76%，在载荷为 400N 时，减摩率由载荷为 500N 时的 4.76%下降到 2.82%。结合以上分析可以推测，在摩擦过程中，球形铝颗粒进入摩擦表面少数微凸体的接触处，起到了微滚动作用，变滑动摩擦为滚动摩擦，从而起到减摩效果。随着 G 值的增大，摩擦副之间的润滑油膜逐渐增厚，表面微凸体的接触几率逐渐变小，从而导致微滚动作用减少。3.3.2.2 边界润滑区减摩机理图 3-5(a)(b)为在载荷 1500N 下，分别采用 SE15W/30 润滑和 SE15W/30+1‰Al粉润滑的磨痕形貌。图(a)中存在大量点状粘着磨痕，且有大量深的条状磨痕。与图(a)比较，由图(b)中可见，在润滑油中加入 Al 粉后，摩擦表面磨痕变浅，表面比较平整。

【参考文献】