两种碳基纳米颗粒作为润滑油添加剂的摩擦学特性研究

发布时间：2020-05-26 09:19

【摘要】：摩擦磨损是造成机器零部件失效的主要原因之一。其中,柴油不完全燃烧产生的黑色固体颗粒物不仅对发动机内部造成损伤,同时排放到空气里,也是PM2.5的重要来源。其类似碳颗粒的外观使得其有作为润滑油添加剂的可能。目前,有研究证实了该类纳米颗粒会加剧机械零部件的损伤,但现有研究并不全面。另外,表面织构技术也在近年得到广泛的关注,织构能够显著的提高材料的减摩抗磨能力,减小材料的损失。本文在UTM-2摩擦磨损试验机上,采取球-平面往复移动接触方式,在不同温度下(25℃,100℃,175℃),不同材质(合金铸铁、65Mn弹簧钢)下考察了柴油纳米烟炱颗粒和纳米石墨颗粒分别作为润滑油添加剂的摩擦学性能。通过原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、傅立叶红外光谱仪(FT-IR)、拉曼光谱仪(Raman)对纳米烟炱颗粒和纳米石墨颗粒进行表征。借助光镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、二维形貌仪、硬度仪、能谱仪(EDX)、拉曼光谱仪(Raman)等设备分析了减磨特性和作用机理。系统的研究了它们作为润滑油添加剂在不同面积率的织构表面上的摩擦磨损行为,得到以下结论：1：原子力显微镜显示纳米烟炱颗粒的粒径大小在20nm-70nm之间,纳米石墨颗粒则为10nm-30nm,略小于纳米烟炱颗粒粒径。纳米石墨颗粒的结晶度比纳米烟炱颗粒更好,结构更加完整。Span-80作为润滑油添加剂的分散剂,效果良好。2：采用合金铸铁作为下试样时,相对于纯PA04润滑油,添加0.01wt%纳米烟炱颗粒和0.01wt%纳米石墨颗粒不仅不会加剧磨损,反而两种碳基纳米颗粒展现出了极其优异的减摩抗磨效果。摩擦系数降低了2-5倍,在25℃、100℃时,添加纳米颗粒的摩擦系数均稳定在0.15附近；在175℃,剧烈的摩擦化学反应,导致实验进行到2000-3000s之间时,摩擦系数急剧增加到0.5左右。虽然摩擦系数在175℃不稳定,但其磨损率依旧减少了40%-60%。添加纳米烟炱颗粒以及纳米石墨颗粒磨损后的表面更加光滑、犁沟较少,其减磨机理为在磨损表面形成了一层保护膜,改变了摩擦界面接触环境。纳米颗粒作为添加剂的润滑性能,与它的分散稳定性,颗粒大小,化学物理性能均有关系。3：采用65Mn弹簧钢为下试样时,添加以上两种碳基纳米颗粒同样表现出了优良的摩擦磨损行为。当采用硬度更高的材质作为基体时,纳米烟炱颗粒的减摩抗磨性能优于纳米石墨颗粒,在其微区观测到,添加纳米烟炱颗粒的表面更平整,添加纳米石墨颗粒的表面则可以清晰观察到部分沟壑。该实验进一步完善了纳米烟炱颗粒作为润滑油添加剂的机理分析,提出了纳米烟炱颗粒作为润滑油添加剂的作用机理主要以滚动轴承、摩擦化学反应、电化学效应等为主。4：在PA04基础油,25℃、100℃、175℃工况下,激光刻蚀的三种不同面积率(19.6%、22.1%、44.2%)的织构表面的平均摩擦系数均在100℃最高。面积率为19.6%、22.1%的织构的摩擦系数较原始表面更大,但磨损率却显著减小；织构微坑的数量越多,抗磨性能越优异。纳米烟炱颗粒加入后,不同面积率织构的摩擦系数差别不大,但试样的磨损明显减轻,这归因于纳米烟炱颗粒的自润滑性能以及微坑织构储存纳米颗粒、润滑油的功能。表面织构与纳米烟炱颗粒的共同耦合作用展现出了优异的抗磨减摩性能。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE624.82

【相似文献】