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纳米磁性添加剂润滑油的改性研究

冯雪君  
【摘要】: 润滑油性能取决于润滑油中添加剂的含量及性能,性能优良的添加剂能够大大提高润滑油的极压、耐磨性能。纳米润滑油添加剂和磁流体润滑是近年来国内外研究热点。国内外研究表明,多种类型的纳米粒子添加到润滑油中可以大大改善润滑油性能,达到抗磨减磨的目的。磁流体润滑与常规润滑相比较,在外加磁场作用下,能准确地充满润滑表面,实现连续润滑。但是,很多国内外关于纳米添加剂和磁流体润滑的研究往往侧重于某一方面,缺乏系统性。 本文中制备的纳米MnZnFe_2O_4为磁性颗粒,平均粒径为5.2nm。纳米MnZnFe_2O_4磁性颗粒既可以无外加磁场下,作为普通纳米润滑油添加剂直接加入到润滑油中,也可以在外加磁场下实现磁流体润滑。 本文是从影响润滑和摩擦的几个重要因素来综合讨论纳米添加剂、磁场对于润滑油润滑与摩擦性能的改变,从而探讨其作用机理: 1)黏度特性。无论在流体动压润滑、弹流润滑、薄膜润滑以及边界润滑中,润滑油的黏度都会影响油膜的形成、油膜的厚度、油膜的形态以及油膜的承载能力。 2)成膜能力。若润滑油具有高的成膜能力,就能使润滑油在摩擦过程中能够快速形成稳定的、高强度的、厚的油膜,隔开摩擦界面,从而改善润滑油的极压、耐磨性能,达到抗磨减磨的目的。 3)承载能力。承载能力是润滑油膜强度大小的标志。 4)摩擦学特性。摩擦系数、磨斑直径、摩擦温升是润滑性能的综合表现。 研究表明,添加纳米磁性颗粒润滑油,无外加磁场下:①质量分数小于5%时,黏度降低;质量分数小于50%时,黏度增加缓慢;质量分数大于50%时,黏度大幅增加。②质量分数小于5%时,黏度降低,但润滑油油膜强度大幅提高,较基础油承载能力增加2倍以上。③相同工作条件下,较基础油油膜中心厚度增加,特别是形成薄膜润滑的转化膜厚增加3倍。④高载和启动阶段,较基础油摩擦系数降低,磨斑直径减小。外加磁场下,添加纳米磁性颗粒润滑油较基础油:黏度、承载能力进一步提高,而同等条件下的摩擦系数、磨斑直径进一步减小。 因此,笔者提出:无外加磁场作用下,若磁性颗粒之间的间距减小到一定值,磁性颗粒之间、磁性颗粒与金属表面之间也会形成较弱的磁力矩,使得部分相邻磁性颗粒形成动态聚集,部分磁性颗粒吸附于金属表面,有助于快速形成强度高且厚的物理吸附膜。 而外加磁场可以进一步提高润滑油黏度,增大摩擦副表面吸附势能,还可能使得磁性颗粒之间形成较短的、不稳定的颗粒链,有助于快速形成强度更高、更厚的物理吸附膜。试验证明外加磁场可以进一步提高添加纳米磁性颗粒润滑油的摩擦学性能,并快速形成高强度的物理吸附膜,改善高载和启动阶段的润滑性能。 在试验及理论分析的基础上,本文建立了无外加磁场下和外加磁场下,含纳米磁性颗粒润滑油薄膜润滑物理模型,为研究添加纳米磁性颗粒润滑油润滑机理提供了理论基础。


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