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新型油溶性有机金属盐化合物与纳米金属粒子的制备及其摩擦学特性研究

刘仁德  
【摘要】:鉴于不含硫、磷元素的有机金属盐抗磨剂具有独特的摩擦学性能,开发高效的、环境友好的、油溶性有机金属盐类润滑添加剂越来越引起人们的重视。本论文对一系列油溶性有机羧酸金属盐(如环烷酸的稀土、锡、锌、镍、锰、钴、铅和铜盐及油酸亚锡、烷基水杨酸稀土等)的摩擦学特性进行了考察。研究表明它们大多具有良好的摩擦学性能,且稀土和锡盐之间具有摩擦学协同效应。通过能谱分析探讨了摩擦表面上的金属氧化物和还原金属对摩擦化学的作用机理。分析结果表明这些盐类在摩擦过程中的分解产物绝大部分为金属氧化物,而单质金属很难发现。为了进一步提高添加剂性能,并考察单质金属在摩擦过程中的真实贡献,文章以微乳化化学还原法成功地制备出表面修饰纳米金属粒子(包括纳米稀土、纳米铜和纳米铅),并考察了它们的摩擦学性能与作用机理。此外,还对纳米稀土作为新型环保发动机油添加剂的应用前景进行了初步探讨。 所制备的表面修饰纳米金属粒子的团粒径均在40nm以下,其中金属核的粒径在10nm以下,它们在基础油中呈透明状液体,有极好的油溶性,在苯、甲苯等有机溶剂中有良好的分散性和分散稳定性。 纳米稀土添加剂具有优异的摩擦学性能。其最佳添加量为3.0%,此时最大无卡咬负荷(pB=647N)是基础油的3.30倍,磨斑直径(D_(30min)~(294N)=0.29mm)为基础油的45.3%,摩擦系数是基础油的87.5%。且它具有比二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)和环烷酸稀土(REN)更加优良的抗磨能力。在196、294、392和490N载荷条件下,纳米稀土的抗磨性能分别为ZDDP的1.24、1.52、1.37和1.15倍。能谱分析显示纳米稀土在边界润滑条件下促进了摩擦表面的氧化反应,其润滑保护膜中除了纳米单质稀土沉积膜外,还存在有因摩擦化学反应而生成的高价态铁的氧化物(主要为Fe_3O_4和Fe_2O_3)和稀土氧化物所组成的化学反应膜,这种厚度甚至超过24nm的复杂保护膜的出现是其具有优良摩擦学性能的主要原因。 采用纳米稀土添加剂试制出一种新型的不含硫、磷元素的环保发动机油,对其摩擦学性能和高温氧化安定性进行了初步的实验室考察,结果表明其抗磨和减摩性能明显优于市售成品油,其高温氧化安定性也达到了SF级发动机油的要求。 表面修饰纳米铜和纳米铅添加剂也具有一定的抗摩和极压性能。它们抗磨能力与相应有机羧酸金属盐的基本相当,但承载能力更高。能谱分析显示,纳米铜


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