微碳球及二氧化钛纳米颗粒作为润滑添加剂的摩擦学性能研究

发布时间：2020-07-15 20:49

【摘要】：随着固体润滑理论的逐渐成熟以及固体润滑剂的成功应用,纳米粒子作为润滑添加剂成为润滑领域发展的重要方向之一。碳纳米材料及二氧化钛以其自身特殊的结构和性能引起了人们越来越多的关注。本文中,以微碳球和纳米二氧化钛颗粒为研究对象,通过绿色环保的水热合成法以及溶胶-凝胶法制备了微碳球和二氧化钛颗粒,分析了其表面形貌、组成成分以及晶体类型等特征,考察了将其作为润滑添加剂在三种基础润滑油中的摩擦学性能,通过拉曼光谱、能谱等手段探讨了其润滑机理。实验取得了一些成果如下:(1)以葡萄糖为前身化合物,采用水热法一步制备得到了尺寸在300 nm左右、具有完美球型结构的微碳球。使用能谱仪和红外光谱仪对微碳球的组成元素以及表面含有的官能团进行了分析。将微碳球作为润滑添加剂添加到植物油、合成油以及矿物油三种基础润滑油中,研究了载荷以及转速对润滑性能的影响,实验中观测到微碳球表现出了良好的减摩抗磨性能。(2)通过季铵化反应对微碳球进行了表面修饰,可以降低微碳球在制备过程中的团聚,将修饰后的微碳球添加到植物油、合成油以及矿物油三种基础润滑油中进行实验。与未修饰的微碳球相比,经修饰后的微碳球的减摩抗磨性能得到了提高。(3)研究了材料粗糙度对含微碳球基础润滑油摩擦学性能的影响,并通过对磨痕区进行拉曼光谱检测,探讨了微碳球润滑机理。在滑动过程中,微碳球进入到接触区,部分微碳球在压应力以及热应力的作用下结构发生重排,在基底表面形成一层润滑薄膜,未破坏的微碳球填充到粗糙峰内部,并可能起到了“纳米滚珠”的作用,进而降低了材料的摩擦和磨损。(4)采用溶胶-凝胶法制备二氧化钛颗粒,探讨了热处理温度对二氧化钛晶体结构的影响。实验观察到,随热处理温度的增加,二氧化钛发生了从无定型到锐钛矿型最后到金红石型的转变。将二氧化钛颗粒添加到全合成机油中进行实验,实验中观测到,随着热处理温度升高,含二氧化钛润滑液的润滑性能逐渐降低,经300℃热处理下得到的无定型结构的二氧化钛具有最佳的摩擦学性能。这主要是由于随着二氧化钛晶型的转变,晶体的硬度逐渐增大,其造成的磨粒磨损现象越来越严重。
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE624.82
【图文】：

结构图,纳米纤维,多壁碳纳米管,图片

青岛理工大学工程硕士学位论文中空纳米管，是一种具有特殊结构的一维碳纳米材料。碳纳米管中碳原子是为主，同时又有部分 sp3杂化的一种空间拓扑结构的物质[19,20]。其中包括单和多壁碳纳米管[21]，单壁纳米管化学稳定性高，表面光洁，结构简单，多壁存在较多的官能团，化学活性高。碳纳米纤维是由多层石墨片卷曲而成的纤材料，直径通常在 10 nm-500 nm 左右，是一种由碳组成的准一维材料，按分为片纤维、带纤维以及鱼骨纤维三种。碳纳米纤维具有较高的比表面积和储存氢气方面有很高应用价值，此外在锂离子电池、传热导电性方面也有用。下图 1-1 出了碳纳米管和纳米纤维结构图[22-27]。

锐钛矿,金红石,晶型,结构示意图

图 1-2 金红石和锐钛矿晶型 TiO2结构示意图Fig.1-2 Schematic diagram of rutile and anatase crystalline TiO2的制备方法有很多种，目前主要有溶胶-凝胶法、沉淀法、溶剂学气相沉积法 (CVD)。其中，溶胶-凝胶法、溶剂热法以及微乳泛的几种方法。随着二氧化钛制备方法的完善，对其性能的研究注。Xie[43]等人以硫酸氧钛和聚乙烯醇 (PVA)为原料，通过冰水化钛颗粒，并研究了其对砷的吸附性能，实验结果表明二氧化钛用水中砷的含量使其达到国家饮用水标准。Luo[44]等人采用溶胶氧化钛颗粒，并对其进行气体流速对脱硫试验影响的研究，结果硫吸附效果越明显，总结出二氧化钛吸附脱硫的机理主要是物用电纺丝为前躯体在其中加入乙醇胺，成功的制备了与衬底附着薄膜，并研究了薄膜的厚度对电池各个重要参数的影响。也有的控制二氧化钛的形成过程进行了研究。例如，Zhang[46]等人研究

形貌,微碳,合成原理

青岛理工大学工程硕士学位论文体颗粒置于干燥箱中干燥 12h 后取出，用研钵将其充分进行研磨至粉状后放入广口瓶中待用，为了防止其潮湿应将其放入干燥皿中持续干燥。整个过程需要注意的是在往反应釜倒溶液的时候倒入反应釜容积的 80%以下，溶液过多会造成里面压力过大超过内衬的承受范围。微碳球的合成原理如图 2-1 所示，主要是通过葡萄糖分子进行的脱水聚合反应，聚合反应之后生成含氧多聚物，这种多聚物是长链的，然后含氧多聚物经过一系列的碳化反应后形成碳球，这些碳球未完全石墨化。经过扫描电镜的扫描，观察和测量后所得的微碳球直径小到 100 nm，最大可达 300 nm，这些微碳球在表面形貌上是良好球形结构，硬度较大，稳定性很好。

【参考文献】