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表面功能化低维纳米碳基润滑添加剂的制备与摩擦学性能研究

刘翔  
【摘要】:高性能润滑添加剂是基础润滑剂的精髓,一直是摩擦与润滑学科的研究热点。低维纳米碳材料基润滑添加剂由于其独特的自润滑性能而备受关注,但其与基础润滑剂较差的相容性大大限制了它们在润滑领域的实际应用。本论文通过化学方法制备了一系列表面功能化的低维纳米碳材料,在显著改善其与基础润滑剂相容性的基础上,考察了其作为润滑添加剂的摩擦学性能,探讨了其润滑机理,具体研究结果如下:1.基于酰胺化反应,制备了离子液体功能化的一维多壁碳纳米管;结构表征结果显示经化学修饰后,碳管的管状结构保持完好,离子液通过酰胺键共价修饰到了碳管表面;离子液修饰碳管与羧化碳管相比在基础液中表现出更好的分散稳定性;考察了其作为水基润滑添加剂的摩擦学性能,在40 N载荷和0.015 wt%浓度下,离子液修饰碳管表现出最好的减摩抗磨性能,分别使基础液的平均摩擦系数和磨损体积降低42%和72%;磨斑表面分析显示离子液修饰碳管作为添加剂时,磨斑表面形成了由铁氧化物构成的类补丁状结构和富含碳管的填充结构;润滑机理研究认为离子液修饰碳管的纳米润滑效应和磨斑表面的类补丁结构共同起作用,大大降低了摩擦磨损。2.通过酰胺化反应和阳离子-∏堆叠作用制备了离子液功能化的二维氧化石墨烯;结构表征结果显示功能化处理未对氧化石墨烯的片层结构造成损伤,离子液通过酰胺键和阳离子-∏堆叠修饰到氧化石墨烯表面,修饰率大于20 wt%,同时离子化石墨烯基面的含氧基团含量与氧化石墨烯相比有一定程度的降低;离子化石墨烯与氧化石墨烯和离子液/氧化石墨烯混合物相比在基础液中的分散稳定性更好,考察了其作为水基润滑添加剂的摩擦学性能,结果显示其摩擦学性能远远优于离子液、氧化石墨烯和离子液/氧化石墨烯混合物,在40 N载荷和0.02 wt%浓度下,离子液修饰碳管表现出最好的减摩抗磨性能,分别使基础液的平均摩擦系数和磨损体积降低57%和76%;磨斑表面分析显示离子液修饰碳管作为添加剂时,磨斑表面形成了由离子化石墨烯沉积膜和摩擦化学反应膜(主要组成:无定形碳、铁氧化物、氮化硼等)构成的界面摩擦膜;润滑机理研究认为离子化石墨烯的离子液基团和氧化石墨烯起到了协同润滑效应,离子液基团通过静电作用改善了离子化石墨烯在摩擦界面的嵌入稳定性,促进了界面摩擦膜的生成,界面摩擦膜有效的避免了摩擦副界面的直接接触,起到显著的减摩抗磨作用。3.以一水合柠檬酸为碳源,以离子液体为反应介质和功能化试剂,通过酰胺化反应一步热解制备了离子液体功能化的零维碳量子点;结构表征结果显示碳点的平均粒径为1.73nm,主要由无定形碳构成,离子液体通过酰胺键共价嫁接到碳点表面,同时碳点表面富含含氧基团;碳点在基础液中表现出极好的分散稳定性,浓度较低时紫外光辐照下可发射明亮的蓝色荧光;考察了其作为水基润滑添加剂的摩擦学性能,在50 N载荷下和0.05 wt%浓度下,碳点表现出最好的减摩抗磨性能,分别使基础液的平均摩擦系数和磨损体积降低65%和60%;探讨了碳点的减摩抗磨机理,碳点在摩擦过程中不断在摩擦界面吸附沉积形成了边界润滑膜,该润滑膜大大降低了摩擦界面的摩擦磨损。4.以一水合柠檬酸为碳源,以油胺为反应介质和功能化试剂,一步热解制备了油胺修饰的碳纳米颗粒;结构表征结果显示碳纳米颗粒的平均粒径为25-35 nm,主要成分为无定形碳,油胺分子通过酰胺键共价嫁接到了碳纳米颗粒表面;油胺修饰的碳纳米颗粒在基础油聚α烯烃中表现出极好的分散稳定性,紫外光辐照下分散液发射明亮的蓝绿色荧光,反映了添加剂和基础油良好的相容性;考察了碳纳米颗粒作为油基润滑添加剂的摩擦学性能,在392 N载荷和1.0 wt%浓度下,碳纳米颗粒表现出最好的减摩抗磨性能,分别使基础液的平均摩擦系数和磨斑尺寸降低47%和76%,碳纳米颗粒表现出较长的使用寿命,在8个小时的测试时间内其润滑能力没有衰减;探讨了碳纳米颗粒作为油基润滑添加剂的减摩抗磨机理,聚α烯烃和碳纳米颗粒在摩擦界面不断吸附沉积形成了混合边界润滑膜,起到显著的减摩抗磨作用。


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