稀土硼酸鑭-軟金屬納米銦復(fù)合材料的制備及摩擦學(xué)性能的研究.pdf

1、潤滑油被稱為工業(yè)的血液，潤滑技術(shù)是機(jī)械系統(tǒng)最有效的抗磨減摩措施，提高潤滑油的性能，發(fā)展環(huán)境友好的新型潤滑添加劑是解決潤滑油產(chǎn)業(yè)消費(fèi)日益劇增和保護(hù)環(huán)境的必然需求?；诩{米材料為添加改性劑的潤滑油體系的抗磨、減摩及在線自修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成為摩擦、潤滑技術(shù)的發(fā)展方向之一，也是摩擦學(xué)學(xué)科創(chuàng)新型前沿研究內(nèi)容之一，具有深刻的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。
　　兩種和兩種以上不同性質(zhì)的納米微粒潤滑組分通過優(yōu)化復(fù)合可以比體相單一的材料具有更高的性能優(yōu)勢，

2、這是由于不同材料的協(xié)同效應(yīng)和性能的優(yōu)勢互補(bǔ)機(jī)制，使復(fù)合微粒表現(xiàn)出更優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。本研究運(yùn)用分子動力學(xué)對軟金屬納米In/硬相復(fù)合納米微粒潤滑體系在邊界潤滑中相互作用影響進(jìn)行模擬計(jì)算，預(yù)判了該潤滑體系的抗磨損能力能夠獲得顯著提高；基于模擬計(jì)算結(jié)果，選擇具有催化活性的稀土硼酸鹽和軟金屬In的納米微粒作為潤滑添加劑，在多種常用金屬摩擦副材料試樣中進(jìn)行了大量的、長時間的摩擦磨損對比試驗(yàn)，獲得了優(yōu)化的工藝配方。用先進(jìn)的測試手段對納米微粒和摩擦試

3、樣形態(tài)進(jìn)行表征、對摩擦試樣進(jìn)行了沉積膜與基體之間的鍵能分析，得到了沉積膜層與基體是以化學(xué)鍵結(jié)合的結(jié)論，進(jìn)一步分析解釋了自修復(fù)膜層抗磨損的修復(fù)補(bǔ)償機(jī)制。
　　本文圍繞納米硼酸鑭和軟金屬納米In在多種金屬摩擦副抗磨減摩性能進(jìn)行研究。主要研究內(nèi)容為：
　　1.納米硼酸鑭制備的優(yōu)化工藝研究
　　用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)法獲取制備納米硼酸鑭的優(yōu)化工藝參數(shù)，對生成物進(jìn)行TEM形貌表征和XRD成分檢測分析。
　　2.納米La2[

4、B4O5(OH)4]3/In復(fù)合粉體的制備和油溶性表面修飾
　?、艑?shí)驗(yàn)對比幾種La2[B4O5(OH)4]3/In的制備和修飾方法，選擇了優(yōu)化的原位溶膠凝膠法的制備-修飾一步法的工藝，并獲取了工藝參數(shù)。
　?、?La2[B4O5(OH)4]3/In-基礎(chǔ)油潤滑體系油樣的配置，對其復(fù)合納米微粒的粒度、體系的分散性、穩(wěn)定性進(jìn)行表征。
　　3. La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)合納米粉體-基礎(chǔ)油潤滑體系的摩擦學(xué)性能測試

5、及對比研究，并進(jìn)行測試結(jié)果的機(jī)理分析，獲取優(yōu)化的復(fù)合比和優(yōu)化的添加量。
　?、旁?5鋼-HT200和45鋼-ZCuZn16Si4銅摩擦副中的La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)合納米微粒不同復(fù)合比和不同含量潤滑體系的抗磨減摩性能測定及機(jī)理分析。
　?、圃谒那驒C(jī)上測試各種油樣的摩擦磨損性能，獲得WSD和摩擦系數(shù)變化規(guī)律，并進(jìn)行油膜強(qiáng)度PB、抗燒結(jié)能力PD的測試對比分析。
　　4. La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)

6、合納米材料的特征元素在摩擦面沉積膜的斷面表征及膜層與基體的XPS鍵能分析。嘗試用分子動力學(xué)對復(fù)合納米微粒在鋼-銅摩擦副上相互作用影響研究，構(gòu)建磨損量變化規(guī)律預(yù)判決策模型。
　　主要研究結(jié)果如下：
　　1.通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的PH值，獲得平均粒度為45nm的球狀0維La2[B4O5(OH)4]3納米顆粒；
　　2.用溶膠凝膠原位合成和一步油溶修飾制備La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)合納米微粒
　　納米In被無定

7、形的水合La2[B4O5(OH)4]3完整包裹，呈核殼結(jié)構(gòu)，成分偏析得到很大改善；其平均粒度60nm，所有顆粒均在100nm以內(nèi)；與基礎(chǔ)油形成的分散體系具有高度分散和長效穩(wěn)定特點(diǎn)，能滿足潤滑油添加劑要求和實(shí)現(xiàn)長期儲存。
　　3.添加La2[B4O5(OH)4]3/In納米復(fù)合微?？梢燥@著改善基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能
　?、泡d荷為200N、線速度為0.5m/s、室溫（30℃）實(shí)驗(yàn)條件下，在45＃鋼-HT200摩擦副上，單一水合納米L

8、a2[B4O5(OH)4]3粒子添加量為2wt％的潤滑體系，可獲優(yōu)化的綜合摩擦學(xué)性能，與基礎(chǔ)油相比，該潤滑體系的平均摩擦系數(shù)下降34.6%，摩擦試樣的總磨損失重量減小了70.4%。
　?、茝?fù)合納米La2[B4O5(OH)4]3/In可進(jìn)一步提高潤滑油的抗磨減摩自修復(fù)性能，當(dāng)兩者的復(fù)配比為3:7，添加量為2wt%時，配置的復(fù)合納米粉體潤滑體系使45＃鋼-HT200摩擦副的平均摩擦系數(shù)比基礎(chǔ)油下降了52.6%，摩擦試樣的磨損失重為負(fù)值

9、，實(shí)現(xiàn)了“負(fù)磨損”的硬修復(fù)。
　　在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，在45＃鋼-硅黃銅摩擦副中，La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)合納米微粒的復(fù)配比例和添加量的最優(yōu)化參數(shù)與45＃鋼-HT200摩擦副油樣體系相同。此時，銅試件的磨損量最小（0.32mg），摩擦系數(shù)最低（0.029），比基礎(chǔ)油分別降低了92.4%和59.2%。
　?、窃邳c(diǎn)接觸高副上，La2[B4O5(OH)4]3和In的質(zhì)量配比7:3，添加量3%是最佳工藝參數(shù)，此時的復(fù)合

10、微粒潤滑體系比純基礎(chǔ)油潤滑體系的鋼球磨斑直徑降低71.6%，摩擦系數(shù)降低了33.8%；最大無卡咬負(fù)荷PB提高了36.5%，燒結(jié)負(fù)荷PD提高了50%。
　　3.對La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)合納米微粒的-油潤滑摩擦學(xué)作用機(jī)制進(jìn)行研究，證實(shí)了邊界潤滑條件下，La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)合納米微粒潤滑體系通過機(jī)械摩擦化學(xué)反應(yīng)在摩擦表面形成了 FeB、La2 O3、B2 O3和單質(zhì) In的復(fù)合潤滑膜，潤滑膜是化學(xué)鍵或金

11、屬鍵結(jié)合為主的自修復(fù)層。
　　4.分子動力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示，這類硬質(zhì)和軟質(zhì)納米微粒復(fù)合形成的新型潤滑添加劑在流體潤滑模型中具有更好的抗磨能力，模型銅薄壁磨損量變化趨勢與在45＃鋼-硅黃銅摩擦副上銅試件的磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線基本吻合，模型可定性地作為研究前試驗(yàn)決策參考。
　　主要特色和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1．首次嘗試將La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)合納米粉體應(yīng)用于潤滑油體系，在常用金屬摩擦副中表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性

12、能，該研究未見相關(guān)的報(bào)道，研究內(nèi)容新穎。
　　2．在納米La2[B4O5(OH)4]3水合硼酸鑭制備中，對體系進(jìn)行PH值調(diào)節(jié)控制，獲得了尺度小且分布集中的0維球狀納米顆粒，工藝簡單可靠。
　　3．用原位溶膠凝膠修飾-制備一步法，獲得核殼結(jié)構(gòu)的La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)合納米微粒，在基礎(chǔ)油中具有良好的懸浮穩(wěn)定性和分散穩(wěn)定性。
　　4.研究發(fā)現(xiàn)La2[B4O5(OH)4]3/In復(fù)合納米潤滑體系不但在面接觸摩擦