六方氮化硼复合纳米材料的制备及摩擦学性能研究

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摩擦磨损是导致机械系统能量损耗、工件失效的主要原因。控制或减小摩擦磨损的最有效方法是使用润滑剂。润滑剂中使用最广泛的为液体润滑油,润滑油添加剂的性质是决定润滑效果的主要因素。近年来,纳米材料被应用于摩擦学领域中,纳米摩擦学引起广泛关注。纳米粒子作为润滑油添加剂可以有效提升润滑剂的摩擦学性能,通过复合不同类型的纳米颗粒,可以产生协同、加和等效应。复合添加剂的摩擦学性能较单一纳米添加剂更为优异。本文通过超声剥离六方氮化硼纳米片(BNNs),并以BNNs为基底,采用水热法附着Mn O2颗粒制备了Mn O2/BNNs复合纳米材料。通过选用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、司盘80(Span80)和聚异丁烯丁二酰亚胺(T161)将BNNs分散在聚α烯烃6号油(PAO6)中,通过自然沉降、紫外透过率分析选出最优分散方案。用MR-S10D型四球摩擦试验机研究了表面活性剂对BNNs减摩抗磨性能的影响以及不同浓度BNNs、Mn O2/BNNs的润滑性能。通过XRD、SEM、TEM、EDS对纳米添加剂BNNs、Mn O2/BNNs进行结构形貌及成分表征。利用XPS、激光扫描共聚焦等技术对钢球磨痕表面的化学成分及形貌进行分析。探究BNNs、Mn O2/BNNs的抗磨减摩机理和复合纳米微粒的协同作用。主要结论如下:(1)采用超声剥离的方法制备层数较少的BNNs。通过表面活性剂SDBS、Span80和T161分散BNNs,Span80和T161的分散效果更佳。SDBS、T161无法改善BNNs/PAO6基础油的润滑性能,而添加Span80制备的润滑油样可以有效降低润滑剂的摩擦系数,减小磨斑直径,改善了润滑剂的抗磨效果。BNNs添加剂可以有效降低PAO6的摩擦系数以及减小磨斑直径,其最佳添加量为0.25 wt%,摩擦系数降低29.8%,磨斑直径降低8.4%。对比分散剂Span80和h-BN,BNNs的减摩抗磨效果明显。(2)通过超声剥离h-BN和水热附着Mn O2颗粒成功制备了Mn O2/BNNs复合纳米材料,Mn O2呈球团状附着在BNNs表面。在100℃、392 N的摩擦学测试中,Mn O2/BNNs的最佳的添加量为0.25 wt%,摩擦系数降低42.4%,磨损率降低11.2%。对比相同浓度的BNNs,Mn O2/BNNs的减摩抗磨性能较好,这归因于球团状Mn O2颗粒与BNNs产生了协同作用。(3)结合TEM、SEM以及XPS分析方法探究Mn O2/BNNs的润滑机制。Mn O2/BNNs纳米颗粒在钢球表面沉积、吸附,摩擦过程中产生的热量促进了材料界面的化学反应,形成摩擦保护膜。基体氧化膜以及含硼摩擦膜的形成是其极低的摩擦系数和优良的耐磨性的原因。(4)通过改变载荷、转速以及变温条件评价Mn O2/BNNs的摩擦学性能。高转速、低载荷条件下油膜限制了Mn O2/BNNs作用于摩擦接触面,从而影响了纳米添加剂的减摩效果。低转速时Mn O2/BNNs的减摩、抗磨效果更佳。Mn O2/BNNs的承载力有限,载荷较大时Mn O2/BNNs的结构被破坏,降低了复合纳米添加剂的协同作用,弱化了润滑性能。在变温条件下,Mn O2/BNNs可以有效降低润滑油的工作温度,防止发生高温氧化,进而延长油品的使用寿命。
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