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纳米光滑增加剂的研讨现状及开展趋势

发布时间: 2023-01-24  |  来源:火狐体育下载苹果版入口  |   1   次浏览

  纳米光滑增加剂的研讨现状及开展趋势 摘要:回忆了纳米资料作为光滑增加剂的研讨状况;比较了不同纳米资料 增加剂对冲突学功用的影响;总述了纳米资料的抗磨减摩机理。介绍当今国外此 范畴的研讨现状,指出结构型纳米资料是在本范畴的研讨新热门;展望了纳米润 滑油增加剂的开展远景,并指出了需求进一步深化研讨的有关问题。 关键词:纳米资料;冲突学功用;光滑增加剂 1纳米资料的结构与特性 同微观上三维方向都具有足够大尺度的惯例资料相 ,纳米资料是一种低维 资料,即在一维、二维乃至三维方向上尺度为纳米级(0.1~100nm)。纳米资料按空 间维数分为以下四种:(1)零维的原子簇和原子簇的调集,即纳米粒子;(2)一维的多 层薄膜,即纳米膜;(3)二维的超细颗粒掩盖膜(4)三维的纳米块体资料。因为纳米材 料的外表原子数与总原子数之比随资料尺度的急剧变小而急剧增大,外表原子的 晶场环境和结合能与内部原子不同,外表原子周围短少相邻原子,因而具有许多悬 空键,具有不饱和性质,外表积、外表能和外表结合能都敏捷增大,产生了所谓的“表 面效应” 。当纳米资料尺度同传导电子的直布罗意波长恰当或更小时,周期性的边 界条件将被损坏,资料的磁性、内压、光吸收、热阻等性质比起普通体相资料都 产生了很大改变,这称为纳米资料的“体积效应” 。跟着纳米资料的尺度下降到一 定值时,费米能级邻近的电子能级变为分立能级的现象称为“量子尺度效应” 。纳 米资料上述共同的结构特性导致纳米资料产生了比如高涣散性、易烧结性、熔点 下降、硬度增大、催化反响活性增大等一系列特性,使得它在精密陶瓷、催化剂、 电子元件、磁光元件等方面得到广泛使用。 2纳米资料光滑效果机理 纳米粒子作为光滑资料有显着的效果,但其效果机理还没有真实研讨清楚, 现在对其效果机理有多种估测。一种理论以为,纳米粒子尺度较小,近似球型, 在冲突副间能够像鹅卵石相同自在翻滚,相似微轴承效果,削减了冲突阻力,降 低了冲突系数,削减了磨损,这种“滚珠轴承” 的冲突原理现在还缺少进一步的实 验支撑。别的一种理论是薄膜理论,以为在冲突进程中纳米粒子在冲突副上构成 一层纳米薄膜,纳米薄膜的功用不同于一般的薄膜,它的耐性、抗弯强度均 大大优于一般薄。这层膜减小了冲突,进步了承载才能然后减轻了磨损。别的, “第三体”抗磨机理以为,纳米粒子增加剂对冲突副凹凸外表的填充效果以及外表 的冲突化学反响构成了安稳的“第三体” ,具有优胜的抗磨效果。有些研讨者以为, 纳米微粒增加剂的效果机理不同于传统增加剂,与其自身所具有的纳米效应有关. 在冲突进程中,因冲突外表部分温度高,纳米微粒特别像 N2TiO2 这类微粒极有可 能处于溶化、半溶化或烧结状况,然后构成一层纳米膜.纳米膜不同于一般的薄膜, 它的耐性、抗弯强度均大大优于一般薄膜.别的,纳米微粒具有极高的涣散力和自 涣散才能( 比体相资料高十几个数量级),简略在金属外表构成具有极佳抗磨功用 的浸透层或涣散层,体现出“原位冲突化学原理”.这种机理以为,纳米增加剂的光滑 效果不再取决于增加剂中的元素是否对基体是化学活性的,而很大程度上取决于 它们是否与基体组分构成涣散层或浸透层和固溶体.上述剖析说明,纳米增加剂 (特别在高负荷条件下) 的光滑效果不再取决于增加剂中的元素是否对基体是化学 活性的,而很大程度上决定于它们是否与基体组分能构成涣散层或浸透层和固溶 体,这可处理在增加剂规划上长时刻依靠 S、P 、Cl 等活性元素的状况,为处理 S、 P 、Cl 带来的环境问题展现了夸姣的使用远景。 3纳米光滑资料冲突学功用研讨开展 3.1无机单质纳米粉体的冲突学功用 T.H isakado、徐华欣、张志梅等将 10~50nm 铜粉、镍粉和铋粉增加到白腊 基油中进行抗磨减摩功用试验,发现白腊中参加纳米铜粉或镍粉后,在同等条件下 其冲突系数至少可下降 18%;磨痕宽度至少可下降 35%,某些状况下乃至可下降 50%.这说明纳米金属粉具有显着改进光滑油抗磨减摩功用的效果.H.Gleiter 等用 爆破法组成的纯度为 95%纳米金刚石作光滑油增加剂,冲突学试验标明,纳米金刚 石在冲突副之间起“微轴承”效果,对外表有抛光效果和强化效果,使其具有优异的 抗磨减摩功用和抗极压功用. 3.2纳米无机盐的冲突学功用 J.X.Dong 和 Z.S.H u 二人对纳米硼酸锌、硼酸钛、硼酸镁、硼酸钙等纳米硼 酸盐作抗磨减摩增加剂进行了一系列研讨,发现纳米硼酸盐,特别是碱土金属硼酸 盐具有极佳的冲突学功用,纳米硼酸镁、硼酸钛,特别是硼酸钙具有很好的使用前 景.其抗磨减摩的机理是:硼酸盐在冲突副上产生冲突化学反响,生成了如 B2O3,FeB 及 Fe2B 等具有抗磨减摩功用的物质.一起发现,当纳米粒子质量分数超 过 1.7%时,PB 会跟着纳米粒子参加量的增加而逐步下降.后来的研讨发现, 以胶体 办法涣散在根底油中的传统碱性提供者,在剪切力效果下,纳米尺度胶核集合并吸 咐在冲突副外表后,构成一层碳酸盐膜,然后产生抗磨功用.油溶性的烷基多硫化 物与胶体碳酸钙和碳酸钠缔合后,抗极压功用得到显着改进.将具有抗磨、抗极压 性的含硫、亚磷化物及硼衍生物引进胶核,可增强胶体的抗磨、抗极压功用. 3.3纳米氢氧化物及纳米氧化物的冲突学功用 胡泽善在其研讨作业中研讨了 n-i(OH)2,n2Mg(OH)2,n-b2O5,n-ZnO,n-TiO 2,n-SiO2 的冲突学性质,发现纳米氢氧化物及纳米氧化物经过在冲突副上堆积而 起效果,具有优异的冲突学功用.胡泽善还对纳米硼酸盐、纳米氢氧化物和氧化物、 无定形纳米粒子和微晶纳米粒子进行了冲突学比较研讨,发现无定形纳米粒子优 于 微 晶 纳 米 粒 子 ,纳 米 硼 酸 盐 优 于 纳 米 氢 氧 化 物 及 氧 化 物 .另 外,n-Mn(OH)2,n-La(OH)3 的冲突学功用研讨也有文献报导. 3.4高分子纳米微球的冲突学功用 赵彦保等用乳液聚合法组成的 PS 纳米微球和具有核壳结构的 PSP/MMS 纳 米微球作光滑油增加剂,在四球试验机上研讨了它的冲突学行为,结果标明,聚合 物纳米微球的交联度及壳层厚度 D 对其冲突学功用有重要影响,在增加质量浓度 为 5×10-4~5×10-3g mL 时,恰当交联度和中低负荷下聚合物纳米微球有杰出的减 磨抗摩功用,在增加质量浓度为 5×10-3g mL 时,抗摩效果最佳,其PB

  800N.关于纳 米微粒冲突学行为,从国内外文献报导剖析可开始得出如下定论: (1)在相同条件下,增加有纳米微粒的根底油的冲突学功用,显着优于根底油也, 显着优于增加T 202 的根底油的冲突学功用. (2)当纳米微粒增加的质量分数高于 0.1%时,其冲突学功用会有显着改进;当 质量分数为 0.5%时,效果一般最佳,这一用量比产品 T202 的增加量低得多;而质量 分数高于某一值时,其抗磨减摩功用会逐步下降. (3)具有杰出的抗极压(EP)功用和优异的抗磨功用,较好的光滑功用,适合在高 温下作业. (4)纳米微粒作为光滑油增加剂,能在冲突副外表构成鸿沟膜,然后具有 EP 和 AW 功用. (5)纳米光滑资料不同于一般的固体光滑资料,它归纳了流体光滑和固体光滑 的长处,然后可望完成从室温到高温(约 800℃) 的全程光滑(传统光滑剂能在常温 及中等温度如 250 ℃)下起光滑效果。 4纳米资料在光滑范畴的使用 将纳米资料使用于光滑系统中,是一个全新的研讨范畴。因为纳米资料具有 比外表积大、高涣散性、易烧结性、熔点下降等特性,因而以纳米资料为根底制 备的新式光滑资料使用于冲突系统中,将以不同于传统载荷增加剂的效果办法起 减摩抗磨效果。这种新式光滑资料不光能够在冲突外表构成一层易剪切的薄膜, 下降冲突系数,并且能够对冲突外表进行必定程度的添补和修正,起到抗磨效果。 4.1纳米粒子抗磨增加剂 近年来一些国内外学者对各种纳米粒子作为油品增加剂所起到的减摩、抗磨 效果作了一些调查验证作业,并且对其效果机理做出了一些估测。 4.1.1支承负荷的 “滚珠轴承”效果 张治军研讨发现,二烷基二硫代磷酸(DDP)润饰的MoS2 纳米粒子在空气中的 安稳性远远高于纳米 MoS2, 在油中的涣散才能也大大进步。用作抗磨增加剂时, 能够大大下降冲突系数(μk

  011),并且进步了载荷才能。经过资料外表剖析以为是 因为mos2 纳米粒子的球形结构使得冲突进程的滑动冲突变为翻滚冲突,然后降 低了冲突系数,进步了承载才能。徐涛将超涣散金刚石粉末(udp)纳米粒子作为润 滑油增加剂进行冲突试验,发现 udp 纳米粒子(粒径均匀为 5nm 的球形或多面体 微粒)具有优秀的载荷功用和抗磨减摩才能,特别能在高载荷效果下发挥效能。摩 擦副外表的剖析结果标明:在鸿沟光滑条件下,udp 粒子不只支承冲突件的负荷, 并且能够防止冲突副直接触摸,当剪切力损坏光滑膜时,udp 纳米粒子在冲突副 间的翻滚效果能够下降冲突系数,削减磨损。c60(富勒烯,又称巴基球) 因为其共同 的结构、物理和化学性质成为资料科学研讨的前沿课题。它是 60 个碳原子彼此 连接成一个关闭的球笼形结构,直径约为 1nm,研讨人员可将其他原子装在巴基球 内,制成纳米管等新的纳米资料。bhushan 研讨了 c60 粉末作为固体光滑剂的作 用机理。以为 c60 因为具有中空对称的球状结构,分子间以范德华力结合,外表能 低,化学安稳性高,其分子链反常安稳,在冲突进程中的效果近似于 mos2 的层状结 构,简略堆积在冲突金属外表,构成堆积膜,并且因为 c60 的球形结构使其能够在 冲突副间自在翻滚,起到了减摩抗磨效果。薛群基发现:室温下,c60 分子在机械涂 擦效果下,就能够从六角密堆积结构转变为面心立方结构。c60 分子之间的滑移 是比较简略产生的,并且这种滑移有点像所谓的“分子翻滚”, 因为这种特别的结构 特性,c60 作为新式冲突学资料的研讨现已受到重视,人们正设法将它制成超级润 滑剂。依据以上研讨者的定论可见他们关于纳米粒子减摩抗磨机理的解说首要基 于鸿沟光滑理论中的鹅卵石模型,即以为纳米粒子尺度较小,能够以为近似球形,在 冲突副间可像鹅卵石相同自在翻滚,起支承负荷的效果而使光滑膜的耐磨性进步。 4.1.2薄膜光滑效果 陈爽以沉积法组成了粒径为 3~5nm 的二烷基二硫代磷酸润饰的pbs 纳米微 粒,并经过四球机调查其在光滑油中的冲突行为。以为其杰出的抗磨效果得益于 冲突进程中的高温高压导致 pbs 纳米粒子熔化,并在冲突外表构成了细密的鸿沟 光滑膜。薛群基[13]用沉积法组成了二乙基己酸(eha)外表润饰的 tio2 纳米粒子 (均匀粒径为 5nm),增加在根底油中,进行四球机冲突磨损试验,并用 x 射线电子能 谱(xps)测验剖析冲突外表后,以为外表润饰的纳米二氧化钛之所以显示出杰出 的抗磨才能及杰出的载荷功用,是因为 tio2 纳米粒子在冲突外表构成一层抗高 温的鸿沟光滑膜。王其华[14]将 sio2 纳米粒子(粒径小于 100nm)填充的聚醚醚酮 (peek)(块状)紧压在翻滚钢球上,旋转钢球必定时刻后,用扫描电子显微镜调查钢 球外表发现:有 sio2 纳米粒子填充的聚醚醚酮对钢球的冲突磨损效果显着下降而, 且跟着载荷的增大,冲突系数相应减小;钢球的磨损率跟着纳米粒子增加量的增大 而下降。辅以 sem 调查剖析后,以为 sio2 纳米粒子在钢球外表构成一层超薄致 密膜,起到了减摩抗磨效果。董浚修研讨了硼酸盐、硅酸盐、烷氧基铝等无机材 料纳米粒子作为极压增加剂的冲突功用,发现这些增加剂在极压条件下并未与摩 擦金属外表产生化学反响,而是其间有用元素如 b 、si 等进入金属外表,构成具有 极佳抗磨效果的浸透层或涣散层,并称这一进程为“原位冲突化学处理” 。以上研 究者结合了 sem、xps 等微观丈量设备调查冲突件外表的分子结构、组成改变, 并结合纳米粒子高涣散性、易烧结的特色,提出了纳米粒子薄膜光滑[16]的解说, 对纳米粒子光滑效果有了深化的知道。 4.1.3“第三体”(the third body)抗磨机理 杜大昌用溶胶凝胶法组成、乙醇超临界流体枯燥技能得到粒径约为 20nm 的 tio2 微粒和粒径约为 10~70nm 纳米的 ti3(bo3)微粒。用作光滑油增加剂时发 现,纳米粒子在油中的涣散安稳性远优于微米级的硼酸盐极压增加剂。冲突试验 的结果标明,纳米粒子增加剂的存在对冲突后期冲突系数的下降起决定效果。通 过冲突副的微观外表剖析以为,纳米粒子增加剂对冲突副凸凹外表的填充效果以 及外表的冲突化学反响构成了安稳的“第三体(the third body)”安稳性优于传统上 以为由磨粒磨屑构成的“第三体”, 因而具有更优胜的抗磨效果。 4.2有序拼装系统 众所周知,生物体内的许多分子以高度有序的办法组合,并且只要分子调集体 才具有这种特定的组合办法以及许多特异的功用。使用 lb 膜技能能够结构出具 有不同化学性质和功用的一到数百分子层的有机分子超晶格,lb 膜一般只要一 个或几个分子层,因而在微观冲突磨损中很有研讨价值langmuir 从前指出:堆积在 玻璃外表的脂肪酸单分子膜足以使冲突系数从 1.0 下降到0.1 左右; 日本大阪大学 在脂肪酸溶液中混入粒径为 10nm 的磁性氧化铁微粒,并使其附着在脂肪酸分子 上制成 lb 膜,作者以为,这对处理多分子膜超薄光滑问题是可行的。张平余[21]研 究了铝基体上堆积的二十酸、二烷基二硫代磷酸及由其润饰的 ws2 纳米微粒 lb 膜的冲突学功用,并且使用红外显微镜剖析了 lb 膜在冲突进程中的结构改变。结 果标明:试验所用 ws2 纳米微粒的粒径处于 5~10nm 的规模,在给定试验条件下 几种 lb 膜的冲突系数都大大下降,耐磨性以二烷基二硫代磷酸润饰的 ws2 纳米 微粒 lb 膜最好,并以为是因为纳米微粒起着支承效果的原因,二烷基二硫代磷酸 锌及由其润饰的 ws2 纳米微粒 lb 膜在冲突进程中产生了向耦件资料外表的转 移,一起在冲突力的效果下lb 膜产生了冲突化学反响或改变。 因为lb 膜的共同性质,能够在制备进程中向其间参加无机物或有机物, 以克 服现在 lb 膜存在的安稳性差和结构强度低的缺陷,也能够引进金属离子或刺进 具有光滑效果的分子层,用来制备分子级的超薄光滑膜。使用 lb 膜分子取向有序 的长处,能够处理磁记录介质与磁头在相对滑动时的耐磨性问题,一起对处理空间 技能中的某些光滑问题及一些小负荷条件下的超薄光滑问题也将发挥重要效果。 5 纳米光滑增加剂的外表改性 因为纳米粒子的外表积大、外表能高使得纳米粒子很简略聚会,因而要确保 纳米粒子在涣散介质中以纳米级的粒子存在并且不产生聚会,就要对其进行外表 改性。纳米粒子的外表改性即纳米粒子外表与外表改性剂产生效果,改进纳米粒 子外表的可潮湿性,增强纳米粒子在介质中的界面相容性,使纳米粒子简略在有 机化合物或水中涣散。依据纳米粒子与改性剂外表产生效果的办法,改性的机理 可分为包覆改性、偶联改性等。 5.1 包覆改性 包覆改性也叫物理改性,即用无机化合物或许有机化合物(水溶性或油溶性 高分子化合物及脂肪酸皂等)对纳米粒子外表进行包覆,对纳米粒子的聚会起到 削弱或屏蔽,并且因为包覆物而产生了空间位阻斥力,使粒子再聚会好不容易, 然后到达改性的意图。外表物理改性选用的办法首要有两种:1)在溶液或熔体 中高分子堆积、吸附到粒子外表包覆改性;2 )单体吸附包覆后聚合。 5.2 外表化学改性 此办法能够在改性物和纳米粒子之间产生很强的彼此效果力。化学处理的放 大首要有:外表活性剂法、外表接枝改性法、酯化法。 5.2.1 外表活性剂法 外表活性剂法首要是用偶联剂改性。偶联剂改性是偶联剂与纳米粉体外表发 生化学偶联反响,是两组分间除了范德华力、氢键或配位键彼此效果外,还存在 粒子键或共价键的结合。一般偶联剂分子有必要具有两种基团:一种与无机物纳米 粒子外表或制备纳米粒子的前驱物进行化学反响;另一种(有机官能团)与有机物 基体具有反响性或相容性经过偶联处理;高比外表能的纳米粉体与较低外表能的 有机体有较好的亲和性。常用的偶联剂有:硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸脂 偶联剂、双金属偶联剂等。 5.2.2 外表接枝改性法 此办法经过化学反响将高分子聚合物链接到无机纳米粒子的外表,可充分发 挥有机聚合物和无机纳米粒子各自的长处,完成规划优化,制备出具有新功用的 纳米微粒。张径等研讨了以纳米 sio2 为种子的甲基丙烯酸甲酯的乳液聚合,指 出聚合进程是单体先转移到 sio2 外表,然后引发聚合,构成的聚合物包覆在纳 米粒子周围。鲁德相等研讨了以超微细 al2o3 作种子的乙酸乙烯酯的乳液聚合 和所构成的复合资料的显微结构,结果标明,超微细 al2o3 使聚乙酸乙酯的热 分化温度由 197℃到了 300℃。 5.2.3 酯化法 金属氧化物与醇的反响称为酯化反响,使用酯化反响对纳米粒子外表改性最 重要的是使本来亲水疏油的外表变为亲油疏水的外表,这种外表功用的改性在实 际使用中十分重要。徐存英等用硬脂酸对纳米 tio2 进行外表改性,发现硬脂酸 中的羧基与纳米tio2 外表的羟基产生相似于酸和醇的酯化反响,在其外表构成 单分子膜,使纳米 tio2 外表由极性转变为非极性。 5问题与展望 现在的研讨作业标明纳米粒子作为光滑油增加剂能显着改进光滑油的冲突 学特性,与根底油比较具有显着的抗磨减摩功用。纳米粒子归纳了流体动压光滑 和固体光滑增加剂的长处,但又不同于传统的固体光滑增加剂,适合在重载、高温、 低速的条件下作业可是现在的研讨作业仅仅只是一个初步,还有许多的问题需求 研讨处理。首要为了进一步澄清纳米粒子的光滑实质, 现在的光滑机制理论还需 要进一步的改进和完善。其次,还需求开宣布经济简略的纳米粒子的制备办法。 第三,还需求树立与纳米冲突学相匹配的监测点评设备。最终,纳米粒子在光滑介 质中的涣散安稳性是一个迫切需求处理的问题,这不光需求改进现在的组成办法 以改进其油溶性,还需求组成有用的涣散剂和安稳剂。对不同粒子的配伍问题研 究的还较少,特别是纳米金属颗粒对油品氧化安定性影响的研讨。对立磨减摩的 机理研讨不成熟。往后还要在以下方面进一步展开作业:(1)结构型纳米颗粒资料 体现出了很好的冲突学功用,其体现也较为安稳。应要点盯梢展开相似研讨并考 虑纳米效应下的机理研讨,特别是研讨此种颗粒沉积到冲突外表上的机制。(2)研 究纳米颗粒与其它增加剂的配伍状况即纳米颗粒与油品兼容性的研讨,特别是纳 米金属颗粒对油品氧化安定性影响的研讨。(3)跟着纳米冲突学的开展,如安在考 虑纳米概念的条件下点评冲突学功用,开展和研发相应的测验仪器和测验手法,制 定相应的点评规范都是往后应该考虑的要点。(4)应该要点加强特别环境,如高 温、重载、修正、环境友好等条件下纳米光滑增加剂的光滑功用研讨; (5)加强表 面润饰纳米微粒的制备和表征技能;综上所述,纳米资料在光滑范畴有着宽广的 远景。很多研讨标明,纳米增加剂不只能够起到抗磨减摩效果,还能够延伸器械 的使用寿命,削减污染,节约能源,使免修理成为可能。 参考文献: [1] 纳米资料作为光滑油增加剂的使用与开展趋势.光滑油 2005,4 [2]巩雄,张桂兰等.化学开展,1997,9(4):349~357 [3]李泉, 曾广赋,席时权.化学通报,1995(6):29~34 [4]张池明.化学通报,1993,8:20~23 [5] 纳米光滑油增加剂研讨开展,光滑与密封 2008 [6]tao xu,et al.tribology transaction,1997,40(1):178~182 [7]bhushan b,et al.appl.phys.lett,1993,62(25):3253~3255 [8]gupta b k,b bhushan.lubr eng,1994,50(7):524~528 [9] 微纳米减摩自修正技能的研讨开展及关键问题,我国外表工程,2009 [10]xue q j,et al.chinese science bulletin,1994,39(10):819~822 [11]homola a m,israelachvili j n,et al.j of tribol,1989,111(10)675~682 [12]陈爽,刘维民.冲突学学报,1997,17(3):260~262 [13] 纳米资料在光滑技能中的使用.开发与使用,2001 [14]wang q h,et al.tribology international,1997,30(3):193~197 [15]dong j x,et al.lubr eng,1994,22:124~128 [16] 再制作工程技能中的微/纳米粉体光滑资料. 粉末冶金资料科学与工 程,2009 [17] 纳米资料作为光滑增加剂的研讨回忆及现在的开展意向与展望.光滑 与密封 2006

  GB T 32610-2016_日常防护型口罩技能规范_高清版_可检索.pdf




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