纳米氧化铈和铜粒子用作润滑油添加剂的摩擦学性能研究

发布时间：2020-09-20 20:40

　　纳米技术跨越多个学科,涉及面十分广泛,在众多领域乃至整个社会生活中都产生了巨大的影响,例如在物理、化学、材料科学、生物、医学、工程学以及计算机仿真等领域。纳米粒子是上个世纪80年代出现的,即粒径小于100nm的粉体粒子。相比而言,人的头发的直径也在20000nm左右,而平时烟粒粒径也在1000nm左右。正是由于纳米粒子这么小,使得它有不同于宏观物质下的小尺寸效应、界面与表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应。由于纳米粒子是介于宏观和微观之间的典型介观物质,具有不同于宏观物质下的许多物理、化学等特性,使得纳米技术在润滑油中的应用也受到了人们广泛的重视。经过研究发现,基于纳米技术的润滑油即使在苛刻条件下,润滑油的极压性能和抗磨性能也都很稳定。这种纳米润滑剂大大减少了机械设备的磨损,延长了发动机的使用寿命,提高了设备的运行效率;延长了润滑油的换油周期,降低了设备的噪音、振动以及尾气的排放。因此,使用这种润滑油可以降低对机械设备的维护成本,延长设备的使用寿命,具有较好的经济效益。将添加剂加入到润滑油源于上个世纪20年代,添加剂的使用极大地改善了润滑油的性能。随着现代工业机械、汽车发动机、自动传送装置、火车、船舶柴油机以及其他各种类型的机械设备的的发展,润滑油添加剂也得到了很大的发展。目前,几乎所有的润滑油都含有一种或多种添加剂,有的润滑油添加剂中的添加量已经高达其质量比的20%。整个润滑油行业越来越依赖添加剂对其提供良好的性能以及对其提供各种特殊条件的性能要求。润滑油添加剂的发展是根据汽车、船舶等工业的特殊性能需要而得到较大发展的,因此,润滑油添加剂的最大市场还是在交通运输领域,例如汽车、火车和船舶等。润滑油添加剂的种类很多。传统的抗磨减摩油溶性添加剂会对环境造成污染,并且在苛刻环境下的性能很差。而现在,将纳米粒子加入到润滑油中是一个新的研究方向。近年来,在科学和生产领域,对纳米晶体材料的研究已经取得了很大的进展。美国、欧洲、日本和中国都在组建大规模的纳米研究机构和纳米研究中心,对于纳米材料在各个新领域的应用,政府都给予相当的鼓励和支持,并投入了大量的资金。但是,纳米技术在润滑油中的应用却是一度受到限制,主要是由于纳米粒子在用作润滑油添加剂时纳米粒子极容易团聚。纳米粒子易于团聚的原因是因为纳米粒子具有较高的表面活性,因此其极不稳定而又极易团聚,并且很难将其进行很好的分散。然而,对纳米粒子用作润滑油添加剂的研究却是没有放松过。近年来,一些研究机构和高校的研究人员进行了很多这方面的研究,也取得了一些成果。一些调查研究显示,纳米尺寸上的微粒将会是未来润滑添加剂的主要研究方向。因此,还需要对这方面进行更加深入的研究,以弄清楚影响纳米粒子作用的多种因素。本文将对纳米二氧化铈粒子和纳米铜粒子组合物用作润滑油添加剂的摩擦学性能进行研究。本文共包括五章内容;第一章介绍纳米粒子的特性、润滑油和润滑油添加剂的发展概况、纳米粒子用作润滑油添加剂的抗磨、减磨机理以及本领域国内外的研究现状;第二章介绍了纳米二氧化铈粒子和纳米铜粒子的选用与表征;第三章介绍了纳米二氧化铈粒子和纳米铜粒子的分散性与表面改性;第四章介绍了纳米二氧化铈粒子和纳米铜粒子组合物用作润滑油添加剂的摩擦学性能研究;第五章为结论和展望。本文通过对纳米二氧化铈粒子和纳米铜粒子组合物用作润滑油添加剂的摩擦学性能的研究,得出的主要结论如下; 1.采用D/max-rB型旋转阳极靶多晶X射线衍射仪测定了纳米二氧化铈粒子和纳米铜粒子的晶体结构和平均粒径大小,同时用透射电子显微镜(TEM)观察其形貌和测定粒径的大小。测定结果为;纳米二氧化铈粒子和纳米铜粒子均呈球形,粒径分别为10.4nm和60nm左右。 2.根据表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB值)选择了Tween-20、Tween-60、Span-20和聚醚作为纳米二氧化铈粒子和纳米铜粒子的表面活性剂,试验结果表明这几种表面活性剂以及两种纳米粒子共同产生了很好的协同效应,较好地解决了纳米粒子在润滑油中的分散性和稳定性问题。本文采用的纳米粒子的“胶囊化”为纳米粒子的分散开创了一条新的途径。 3.按照GB/T 12583—1998,在四球磨损试验机上对纳米二氧化铈和纳米铜粒子组合物添加剂的摩擦学性能进行研究,结果表明;纳米二氧化铈和纳米铜粒子组合物添加剂明显地改善了润滑油的摩擦学性能,并且纳米粒子可以用作极好的抗磨、减摩添加剂;得出纳米二氧化铈和纳米铜粒子组合物添加剂的最佳添加量为Wt_(ceO2)%;Wt_(Cu)%=1∶1,Wt_((CeO2+Cu))%=0.6%左右。。在这个添加量下,纳米润滑油有着较好的摩擦学性能,而高于或低于这个添加量的添加方式,其效果都不是很好。 4.纳米二氧化铈和纳米铜粒子在摩擦副表面起到类似“微滚珠”的承载作用以及滑动效应。在小载荷下,纳米粒子主要起微滚珠作用,但是在高温重载的情况下,处于摩擦副表面间的纳米粒子被挤压成微薄片状,从而分割摩擦表面的直接接触,并且在其间形成了滑动系,从而可以降低摩擦,减小磨损。现在在世界范围内出现了一些带有纳米添加剂的润滑油,这种润滑油可以减少摩擦副间的摩擦,降低磨损,尤其是在高温重载等比较苛刻条件下显示出了优良的摩擦学性能。但是要想使纳米润滑油能真正的产业化,还需要进行更深入的研究。建议以后的工作可以从以下几个方面进行; 1.对两种或两种以上纳米粒子用作润滑油添加剂的协同机理进行研究。 2.在纳米粒子用作润滑油添加剂之前,首先要慎重地选取纳米粒子,并对纳米粒子进行良好的表面改性,以使纳米粒子能很好地稳定分散在润滑油中,这样才能更好的发挥纳米粒子的优越性能。 3.为了能使纳米润滑油很好地在生产中得到推广应用,还需要进一步将实验室试验研究转入模拟试验、发动机台架试验,以及在实际条件下应用研究。总之,本课题所作的工作是对纳米组合物粒子作为润滑油添加剂摩擦学性能研究领域的探索性工作,本文工作是上海市科研项目“纳米材料在润滑油中应用的关键技术研究”(05FZ31)中的一部分,大量的工作还有待今后进行深入地研究。
【学位单位】：上海海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2007
【中图分类】：TB383.1;TH117.22

【参考文献】