纳米二氧化铈和二氧化硅复合粒子用作润滑油添加剂的摩擦学性能及机理研究

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传统的润滑油脂占据着当今润滑油脂市场的主导地位,但其在高承载能力、高温及环境友好等方面的应用局限性不容忽视。纳米粒子具有大的比表面积、表面原子数和表面能随粒径的下降急剧增加。小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、化学催化特性和表面稳定性等方面不同于常规粒子,使其具有不同于一般材料的优异性能。随着纳米制备技术、纳米表征技术和纳米表面修饰技术的兴起和发展,促进了纳米微粒在润滑领域的研究和应用开发。本文对纳米二氧化铈、二氧化硅粒子的表征、摩擦学性能以及抗磨、减摩机理进行了研究,得出的主要结论如下:一、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、二氧化硅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大小,测定结果为:纳米二氧化铈和纳米二氧化硅粒子呈球状,粒径分别为10.4nm和20nm左右。二、根据表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB值)选择了吐温-20、吐温-60和司本-20作为纳米二氧化铈和二氧化硅粒子的表面活性剂,同时纳米二氧化铈粒子对其它纳米粒子团聚有很好抑制作用。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和稳定问题。三、在MRS-1J机械式磨损试验机上对纳米二氧化铈、二氧化硅粒子润滑油添加剂的摩擦学特性进行了研究,结果表明:这两种粒子作为润滑油添加剂的关键是纳米微粒团簇的分散性和稳定性,只有纳米微粒均匀分散与稳定存在时,才能起到耐磨、减摩作用。四、纳米二氧化铈和二氧化硅复合粒子的最佳的添加量为:WtCeO2%:WtSiO2%=1:1,浓度为0.6%左右。五、通过SEM分析测试研究,对纳米二氧化铈和二氧化硅复合粒子的摩擦表面进行了研究,探讨了纳米二氧化铈和二氧化硅粒子的复合协同抗磨减摩机理,提出了自己的个人见解:(一)纳米二氧化铈和二氧化硅的平均粒径分别为10.4nm和20nm。在开始运转时,纳米二氧化铈粒子在摩擦界面力作用下,对表面粗糙峰或微凸体实现“微抛光”作用,使摩擦表面接触趋于平稳;接着纳米粒子在光滑摩擦面上起到了“微滚珠”作用,一些纳米粒子起到了填充修复磨痕的作用。(二)纳米二氧化铈和二氧化硅粒子必须在具有合适的配比的情况下,才能协同起到抗磨减摩作用。在本研究中纳米二氧化铈和二氧化硅粒子配比为1:1,浓度为0.6%左右时,抗磨减摩效果最好。可能原因是这种配比及浓度使纳米二氧化铈粒子对纳米二氧化硅粒子在润滑油中团聚的抑制作用达到最佳,纳米粒子可以均匀、稳定分散在润滑油中。在摩擦表面上形成了一道含均匀稳定的纳米粒子油膜,隔开了相互接触的摩擦面。在开始阶段纳米二氧化铈和二氧化硅粒子在摩擦面中间起到了“微抛光”的作用,在摩擦表面凸起部分被慢慢磨削去后,纳米粒子可起到了“微滚珠”作用和“填充修复”作用。本文所做工作是对纳米复合粒子作为润滑油添加剂性能研究领域的探索性工作,是上海市教委项目“纳米润滑油添加剂产业化应用的关键技术研究(05FZ31)”中的一部分,大量的工作还需要在今后继续深入研究。
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