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《江苏大学》 2008年
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纳米金属铜与镍的形貌控制制备及其摩擦学性能研究

张锡凤  
【摘要】:纳米材料具有很多异乎寻常的特性,有着极为广泛的应用前景,是当前材料科学的研究前沿。纳米金属优异的性能赋予其潜在应用价值,其研究引起国内外普遍重视,是目前材料、化工研究的新方向,受到材料学界、物理学界、化学界和产业界的普遍关注和重视。 本论文综合分析近年来国内外纳米金属的制备方法,以设备简单、反应条件温和、易于工业化的化学还原法为制备工艺路线,以当前纳米金属的研究热点—粒度、形貌、结构可控纳米金属的制备为研究内容,以广阔应用在高效催化剂、固体润滑剂等方面的国内外新颖功能材料纳米铜(Cu)、镍(Ni)为研究对象,探索反应体系、母体和还原剂的种类、反应时间和反应温度等制备技术、工艺参数等因素的影响作用,获得成熟而稳定的粒径、形貌可控纳米金属Cu、Ni的制备技术。修饰剂的选择是制备粒径、形貌可控纳米金属的关键,因此本论文重点研究不同种类修饰剂对纳米金属Cu、Ni粒径、形貌影响的规律性及其作用机理。本研究首次采用吐温系列(Tweens)和聚乙二醇系列(PEGs)单独或与十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)复配作为修饰剂使用,以化学还原法,在低温、常压下分别以维生素c(Vc)、水合肼和1,2丙二醇为还原剂,还原硫酸铜、硫酸镍和醋酸镍母体,制备出粒径、形貌可控的纳米金属Cu、Ni。分别用x-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SEAD)对产物的粒径、形貌和晶型结构进行表征,利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和差热—失重分析仪(TG-DSC)研究不同修饰剂单一或复配使用时对纳米金属Cu、Ni粒径、形貌及分散抗团聚、抗氧化能力的影响及其作用机理。纳米金属用做润滑油添加剂可优化润滑油的润滑性能。本论文将制备的纳米金属Cu、Ni产物分别添加到不同种类的润滑油中,利用UNT-Ⅱ摩擦磨损试验机和M-2000型环/块式摩擦磨损试验机检测该润滑油的润滑特性,以研究不同尺寸、形貌的纳米金属Cu、Ni对摩擦表面的减摩、抗磨和修复机理的影响规律。取得了如下结果: 1)在单一修饰剂中,PEG-2000的采用利于获得小尺寸、粒径分布狭窄的球形纳米Cu(平均粒径2.5nm,粒径范围0.5-3nm);PEG-6000利于获得较大尺寸、粒径分布较宽的球形纳米Cu(平均粒径17.0nm,粒径范围5-25nm)。在复配修饰剂中,SDBS+PEG-2000诱导生成了单晶二维纳米Cu带;SDBS+PEG-6000形成较大尺寸、粒径分布较宽且随粒径增加从球形到不规则形状的纳米Cu(平均粒径21.8nm,粒径范围5-35nm)。 2)水体系中,单一修饰剂的使用利于获得球形或类球形纳米Ni,复配修饰剂的使用利于获得雪花状或针刺状纳米Ni。PEG-2000、Tween-80的使用利于获得小尺寸、粒径分布狭窄的球形或类球形纳米Ni(平均粒径53nm和36nm,粒径范围24-106nm和25-52nm),PEG-6000利于获得较大尺寸、粒径分布较宽的类球形纳米Ni(平均粒径167nm,粒径范围76-310nm)。SDS和PEG-600的复配利于减小产物的尺寸(平均粒径33nm,粒径范围16-78nm),SDS和Tween-80的复配则明显增加产物的尺寸(平均粒径230nm,粒径范围124-480nm)。分析水体系中Cu、Ni产物的粒径、形貌,说明在相同体系中利用化学还原法制备不同纳米金属Cu、Ni时,PEGs系列、Tweens系列及它们与SDS等复配修饰时具有类似的修饰效果,对纳米金属的晶体生长产生相同的协同作用。 3)以液相还原法制备纳米Ni为基础,在反应体系中引入微波辅助加热,获得长度和直径在一定范围内变化的针状纳米Ni。 4)醇体系中,SDS易于形成粒径较小的雪花状和十二面体纳米Ni,PEG-200与PEG-600易于分别形成大、小雪花状体纳米Ni,PEG-2000易于形成十二面体纳米Ni,PEG-6000易于形成三角形薄片纳米Ni,Tween-20易于形成粒径较小的以十二面体和三角形薄片为主的各种规则纳米Ni,Tween-80易于形成粒径较大的雪花状纳米Ni。PEG-600、PEG-6000与SDS复配后,易于形成粒径较大的雪花状纳米Ni,Tween-40和SDS复配后易于形成粒径较大的十二面体和八面体纳米Ni。分析水、醇体系中Ni产物的粒径、形貌,说明在水、醇体系化学还原法制备相同纳米金属Ni时,同一系列修饰剂对产物的分散、修饰作用正好相反。 5)分别用FTIR、TG-DSC分析修饰剂对纳米金属Cu、Ni的作用机理,发现修饰剂与所生成的纳米晶体发生了化学键合作用,利用空间位阻效应及静电效应有效减小了颗粒的团聚和避免了产物的氧化,前者为主导因素,后者为辅助因素。 6)探讨不同尺寸、形貌的纳米金属Cu、Ni对摩擦表面减摩、抗磨和自修复的影响和作用机理,初步获得纳米金属Cu、Ni的尺寸、形貌与润滑油润滑性能的改性效果的关系。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TB383.1

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【参考文献】
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