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Cu纳米微粒的制备及其摩擦学行为研究

杨广彬  
【摘要】:本文分别采用不同的制备方法合成出Cu纳米微粒,研究了其摩擦学行为,揭示了其在摩擦副表面减摩、抗磨和修复的作用机理。 (1)借助聚电解质多层膜(PEMs)中的“纳米反应器”,通过一系列Cu2+离子的吸附和NaBH4溶液的还原组成的反应循环,在聚电解质多层膜内原位生成了Cu纳米微粒,合成出的纳米微粒粒径分布在3~20nm。并且随反应循环次数的增加,Cu纳米微粒的粒径和密度增加。研究了反应循环数对Cu纳米颗粒聚电解质多层复合膜的摩擦学行为的影响,研究表明适量的Cu纳米微粒既能使薄膜内部的Cu纳米微粒发挥出支撑强度和增加硬度的作用,也能保证外部的聚合物分子链有一定的柔韧性和灵活性,从而使复合膜具有优异的摩擦学性能。 在Cu纳米颗粒聚电解质多层复合膜的表面修饰氟硅烷,构成疏水的铜纳米微粒聚电解质多层复合膜。反应循环数和聚电解质多层复合膜的双层数对疏水铜纳米微粒聚电解质多层复合膜的润湿性和摩擦学行为有很大的影响;研究了在水润滑和干态下疏水铜纳米微粒聚电解质多层复合膜的摩擦学行为。结果表明,表面疏水性越强,其耐磨寿命越长。 使用表面修饰带有氨基的SiO2与聚烯丙胺盐酸盐(PAH)和聚丙烯酸(PAA)以旋涂辅助的方法引入到聚电解质多层膜中,形成(PAH/PAA)3(SiO2/PAA)3(PAH/PAA)3和(SiO2/PAA)9不同结构的薄膜。然后加热处理,使组分间的氨基与羧基发生酰胺化反应,使层间结合力由静电力转化为共价键。考察加热后薄膜结构对摩擦学行为的影响。结果表明,具有“三明治”结构的(PAH/PAA)3(SiO2/PAA)3(PAH/PAA)3薄膜有助于提高复合膜的摩擦学性能。因为复合膜中的最外层(PAH/PAA)3能够消除中间层产生的缺陷,又允许中间层(SiO2/PAA)3的纳米微粒提高其强度和硬度,同时又使暴露在外表面的有机分子保持柔韧性和灵活性。最内层(PAH/PAA)3的既要锚固在Si基底上,又对SiO2纳米微粒起着重要的“床”的作用,供它居住于其中,结果固定在薄膜中的纳米微粒起到了承载能力和“微轴承”效应,使薄膜具有良好的摩擦学性能。 (2)分别以低S或无S、P的二辛基二硫代氨基甲酸、硫醇、烷基羟肟酸为修饰剂,水合肼为还原剂,采用水/油两相萃取法,合成原位表面修饰的Cu纳米微粒。分别采用红外光谱、X射线衍射仪、透射电子显微镜对纳米颗粒的尺寸、形貌和结构进行表征。研究了不同修饰剂与Cu纳米微粒的作用规律。这几种修饰剂分别以不同结构形式的化学键结合在Cu纳米微粒的表面。深入系统地研究了表面修饰Cu纳米微粒作为润滑油添加剂的摩擦学行为,表面修饰Cu纳米微粒作为润滑油添加剂具有优异的抗磨性能,这可能是由于铜的熔点低,易于沉积到摩擦副表面形成保护膜;另外,表面修饰Cu纳米微粒能填充摩擦副表面的微坑,发挥出自修复作用。 (3)根据摩擦化学中润滑油添加剂分子设计的理念,设计并合成出新型的无S、P的直链型和杂环型硼酸酯润滑油添加剂。评价了其在液体石蜡中的摩擦学性能。采用SEM, XPS或EDS对磨斑进行了分析,结果表明:硼酸酯提高了基础油液体石蜡的承载能力和抗磨性能,磨斑直径明显减小。这是由于硼酸酯添加剂在摩擦副表面形成了氧化硼、氧化铁、含N化合物和其它无机盐等组成的保护膜。在摩擦过程中发生了化学反应,生成的化学反应膜和吸附膜,改善了基础油的摩擦学性能。


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