往复滑动干摩擦条件下碳烟颗粒的摩擦学特性研究

采用往复摩擦磨损试验机分别研究了生物质燃油碳烟颗粒和0#柴油碳烟颗粒对滑动干摩擦条件下铸铁/铸铁摩擦副摩擦磨损行为的影响;借助扫描电镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪等分析测试设备探讨了不同碳烟颗粒的摩擦学作用机理.结果表明:引入碳烟颗粒后,铸铁摩擦副的摩擦磨损明显减轻,摩擦系数和磨损量均随往复频率的增加而增大;且生物质燃油碳烟颗粒的抗磨减摩效果优于柴油碳烟颗粒.其原因归于碳烟颗粒自身的力学特性、自润滑性以及摩擦副表面特性,主要包括含碳烟颗粒摩擦表面膜的形成、摩擦诱导铁基氧化物的生成,以及摩擦表面有序化碳含量的增加.     

生物质燃油碳烟的组成和结构以及摩擦学特性研究

用自制碳烟捕集装置收集了生物质燃油碳烟(Bio-fuel soot,简称BS),采用四球摩擦磨损试验机考察了BS对液体石蜡(Liquid paraffin,简称LP)摩擦学特性的影响,借助扫描电镜/能谱仪、X射线光电子能谱仪、高分辨透射电镜、X射线衍射仪等分析了BS的组成、结构及摩擦学作用机理.结果表明:BS由平均粒径约40 nm的球形颗粒组成链状团聚体,主要成分为无定型碳和氧,并含少量石墨烯微晶,且其氧含量高于柴油碳烟.随着BS在LP中添加质量百分数的增大,最大无卡咬负荷先增大后减小,钢球平均磨斑直径呈线性增大,而平均摩擦系数先稍有减小后趋于增大.就摩擦学作用机理而言,一方面,BS中的含氧官能团使BS在摩擦过程中易于吸附到摩擦表面,影响边界润滑膜的作用;另一方面,BS引起磨粒磨损和腐蚀磨损,使得摩擦表面的金属氧化膜在摩擦过程中易脱落成磨粒,从而加剧磨损.     

柴油发动机碳烟对缸套/活塞环摩擦学性能影响的研究

通过SRV IV摩擦磨损试验机考察了柴油机碳烟对柴油机缸套/活塞环摩擦副摩擦磨损性能的影响,借助扫描电子显微镜及能谱仪、三维表面形貌仪和拉曼光谱仪探讨了碳烟颗粒的摩擦学作用机理.结果表明:碳烟颗粒在高载荷时可以降低缸套/活塞环摩擦副间的摩擦系数,但在低载荷时对摩擦系数影响不大;碳烟颗粒会加剧缸套的磨损,其磨损形式主要为磨粒磨损.碳烟颗粒表现出减摩性的主要原因是其外层的乱层石墨在摩擦热和剪切作用下发生了剥离并在摩擦副表面形成了润滑膜.     

氮化钛硬质薄膜在不同种类润滑油下的摩擦学性能研究

采用球-盘摩擦试验机分别考察了氮化钛硬质薄膜与轴承钢和氮化硅陶瓷组成的摩擦副在不同种类润滑油条件下的摩擦学性能,并表征了其磨痕表面形貌与元素成份.结果显示:与Ti N硬质薄膜干摩擦性能相比,润滑油可显著降低摩擦系数,延长磨损寿命,且具有较长烷基碳链的润滑油性能较优;当上试球材料不同时,其油润滑条件下的性能亦不同.相同润滑油条件下,氮化硅球作为摩擦副时,其润滑性能优于轴承钢球.磨痕表面形貌及能谱分析结果表明:具有较长烷基碳链的润滑油在摩擦副研磨滑动过程中起到油性剂的作用,而短碳链硅油分子结构中含有氯元素,虽通过摩擦化学反应生成边界润滑膜,但不完整致密,以致短时间内润滑失效.     

NiAl-Cr(Mo)-Cr_xS_y自润滑复合材料的摩擦磨损特性

采用滑动磨损试验方法测试了NiAl-Cr(Mo)-CrxSy自润滑复合材料与SiC陶瓷配副在110～960℃的摩擦磨损特性.结果表明:200～400℃,纳米CrxSy晶粒在复合材料摩擦表面形成较完整的润滑膜,产生自润滑性能;700～900℃,复合材料摩擦表面生成了1～3μm厚、完整的玻璃陶瓷润滑膜,产生了自润滑耐磨性能.2种润滑膜材料均可向SiC表面转移,消除了复合材料/SiC的摩擦状态.随着温度的升高,2种润滑膜材料的强度降低,SiC微凸体压入润滑膜,导致润滑膜的剥落加剧,复合材料的摩擦系数与磨损率升高.     

油酸修饰TiO2纳米微粒水溶液润滑下GCr15钢摩擦磨损性能研究

用四球摩擦磨损试验机考察了脂肪酸修饰TiO2纳米微粒水溶液润滑下GCr15钢的摩擦磨损性能,并用电子探针和X射线光电子能谱研究了钢球磨损表面边界润滑膜的化学组成和元素分布.摩擦磨损试验结果表明:脂肪酸修饰TiO2纳米微粒在水中具有较好的润滑性能、良好的极压性能及较高的承载能力.添加质量分数为0.1%～1.0%的油酸TiO2纳米微粒可使水的承载能力提高6～12倍,烧结负荷提高51～100%,抗磨减摩性能也有较大提高,卡咬负荷由150N提高至1000～1800N.磨损表面分析表明:油酸TiO2纳米微粒在较高负荷(>300N)下发生了摩擦化学反应,生成含TiO2及油酸复合物的边界润滑膜,从而起减摩抗磨作用     

表面修饰硼酸盐润滑油添加剂的摩擦化学作用机制

采用X射线光电子能谱仪研究了表面修饰硼酸盐润滑油添加剂在钢球表面形成的表面膜的元素组成和化学状态,并考察了摩擦化学反应膜的结构和化学作用机制,结果表明：在不同油润滑条件下,硼酸盐润滑油添加剂均与钢球磨损表面发生了相互作用,并形成主要由吸附膜和摩擦化学反应膜组成的复杂表面膜;摩擦化学反应膜中所含元素的化学状态及其含量的试验负荷有关,且沿反应膜深度方向而变化,即由表及里,Fe与B、N及O等形成的无机化合物的含量逐渐增加,而有机化合物的含量逐渐降低。     

Ti_3SiC_2/PM304摩擦副的高温摩擦学性能

本文考察了Ti3SiC2/PM304摩擦副从室温到630℃范围的摩擦磨损性能,并与Ni-Cr合金/PM304摩擦副的摩擦磨损性能进行了对比.结果表明:Ti3SiC2/PM304摩擦副具有比Ni-Cr合金/PM304摩擦副更好的摩擦磨损性能,特别是在400～630℃的温度范围内,Ti3SiC2/PM304摩擦副具有优异的摩擦磨损性能.从室温到300℃,Ti3SiC2/PM304摩擦副的磨损机制为Ti3SiC2晶粒拔出、脱落后与转移的PM304形成机械混合层,随着环境温度的升高机械混合作用加强.在400～630℃范围内,摩擦界面的机械混合作用受到显著抑制,在Ti3SiC2磨损表面形成富集银的转移润滑膜,而转移润滑膜的连续性对摩擦副的摩擦磨损性能影响较大.     

多层石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能研究

采用液相超声直接剥离法制备了不同厚度的纳米石墨烯片,用SEM、TEM对其形貌进行了表征,利用多功能往复摩擦磨损试验仪考察了石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能.通过SEM、EDS、XPS等手段,分析了磨损表面的形貌、元素组成和典型元素的化学状态,初步探讨了石墨烯水分散体系的润滑机理.结果表明:所制备的石墨烯为厚度不一的多层石墨烯混合物,厚度范围为10~180 nm;石墨烯作为水基添加剂具有良好的减摩抗磨性能,使纯水的磨损机理发生转变,由严重的黏着磨损和腐蚀磨损转变为磨粒磨损,主要原因是在石墨烯水分散体系润滑下,磨损表面形成吸附减摩层和摩擦化学反应膜,两者协同作用,抑制Fe的氧化,减轻摩擦磨损.     

Ti_3SiC_2/PM3O4摩擦副的高温摩擦学性能

本文考察了Ti_3SiC_2/PM304摩擦副从室温到630℃范围的摩擦磨损性能,并与Nj-Cr合金/PM304摩擦副的摩擦磨损性能进行了对比.结果表明:Ti_3SiC_2/PM304摩擦副具有比Ni-Cr合金/PM304摩擦副更好的摩擦磨损性能,特别是在400～630℃的温度范围内,Ti_3SiC_2/PM304摩擦副具有优异的摩擦磨损性能.从室温到300℃,Ti3_SiC_2/PM304摩擦副的磨损机制为Ti_3SiC_2晶粒拔出、脱落后与转移的PM304形成机械混合层,随着环境温度的升高机械混合作用加强.在400～630℃范围内,摩擦界面的机械混合作用受到显著抑制,在Ti3SiC_2磨损表面形成富集银的转移润滑膜,而转移润滑膜的连续性对摩擦副的摩擦磨损性能影响较大.     

柴油发动机碳烟的表征及摩擦学特性研究

收集柴油发动机尾气碳烟,借助扫描电子电镜/能谱仪、高分辨率透射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光普仪、X射线光电子能谱仪分析了碳烟颗粒的形貌、结构及表面官能团,采用SRV IV摩擦磨损试验机考擦了碳烟对柴油机油摩擦学特性的影响.结果表明:碳烟颗粒由C、O两种元素构成,平均粒径为34 nm,外壳包裹着十几层石墨片层的洋葱头结构.碳烟质量分数在3%以内可以改善柴油机油减摩性能,对其抗磨性影响小;当碳烟质量分数超过3%时会引起摩擦系数升高和磨损加剧.分析其原因,一方面碳烟颗粒特殊洋葱头结构使其进入摩擦界面后随摩擦副的往复运动而滚动,起到滚动轴承的作用,从而使摩擦系数降低;另一方面当碳烟含量过高时,碳烟会破坏润滑油膜,阻碍润滑油进入摩擦界面,导致磨损加剧,摩擦系数升高.     

不同形态的二硫化钼润滑剂在离子液体中的摩擦学性能

以1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体为基础油,考察了不同形态二硫化钼(Mo S2)微粒的摩擦学性能.低载低速下,空心球形Mo S2(空心球)与片状纳米Mo S2(纳米片)均能改善基础油的减摩抗磨性能,片状微米Mo S2(微米片)不仅不具备减摩性能,还会增加磨损;高载高速下,空心球仍保持着较好的减摩抗磨性能,微米片也表现出一定的减摩抗磨能力,而纳米片易导致润滑失效.纯离子液体润滑时钢球表面出现了一定的疲劳磨损,添加空心球与纳米片后,疲劳磨损消失,磨损量下降.空心球与纳米片润滑时,Mo S2能转移到摩擦表面,少部分仍以Mo S2形式存在,其余Mo S2与基础油及摩擦副材料等发生摩擦化学反应,形成由Mo O3、Mo S2、Fe PO4、Fe SO4、Fe F2及含N与S的有机物组成的复合润滑膜;微米片润滑时,很少Mo S2参与了转移膜的形成,因而对基础油改性效果较差.     

不同载荷和温度下碳烟对柴油机油摩擦学性能的影响

在SRV IV摩擦磨损试验机上,采用球-盘接触方式,考察了不同碳烟浓度的柴油机油在不同载荷和温度下的摩擦学特性,借助三维表面形貌仪、扫描电子显微镜及能谱仪、拉曼光谱探讨了由于载荷或温度改变引起含碳烟柴油机油摩擦学性能发生变化的原因.结果表明:当柴油机油中碳烟质量分数为5%时,当载荷或温度升高引起含碳烟柴油机油的摩擦学性能出现突变.突变表现为摩擦系数升高,磨损剧烈增加.分析认为,碳烟含量较高时,温度或载荷的升高容易引起润滑油膜破裂,出现乏油润滑,导致磨损加剧,摩擦系数升高.     

石墨烯的功能化改性及其作为水基润滑添加剂的应用进展

传统的油基润滑剂在使用过程中通常存在冷却性能差,易造成环境污染等问题,近年来绿色环保的水基润滑逐渐受到科学家们的关注. 水由于自身黏度低且易挥发等特点,其作为润滑剂时润滑效果不佳,因此亟待发展高效的水基润滑添加剂来改善其摩擦磨损性能. 在本文中,作者综述了近年来石墨烯基纳米材料的功能化改性及其作为水基润滑添加剂的最新研究进展,总结了其在摩擦过程中的润滑机理,并对目前石墨烯水基润滑添加剂存在的问题及今后重点研究内容进行了展望.      

典型微藻生物油的润滑性能和作用机理研究

鉴于对生物质能源的需求日益增长,将典型微藻生物油添加到CD 15W-40柴油机油中实现部分替代.采用四球摩擦磨损试验机考察了生物油的润滑性能,利用现代表面分析技术探讨了其作用机理.结果表明:微藻生物油有很好的润滑效果;随柴油机油中生物油添加量的增大,摩擦系数逐渐降低、钢球磨斑直径先减小后增大;当生物油的添加质量百分数为10%时,柴油机油的摩擦学性能较优.其中,利用La2O3催化液化制备的生物油的润滑性能优于直接液化制备的生物油,能显著降低摩擦系数和钢球磨斑直径.就润滑机理而言,润滑油中的含C、N有机物在摩擦副接触表面吸附、沉积形成润滑膜,同时摩擦副滑动表面经摩擦化学反应生成由Fe2O3和FeN组成的保护膜,从而起到良好的润滑防护作用.相关研究结果可望为拓展生物油的应用提供参考.     

PFPE脂润滑2Cr13钢摩擦副的真空摩擦磨损行为研究

利用销-盘式摩擦磨损试验机对PFPE脂润滑2Cr13钢摩擦副进行了不同滑动时间的真空滑动摩擦磨损试验.采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分别对磨损表面的形貌、化学状态及润滑脂的结构和成分进行了系统分析.结果表明:随着滑动时间的增加,由微切削磨损、轻微腐蚀磨损向严重腐蚀磨损、轻度局部剥落继续向严重黏着磨损、严重局部剥落的严重复合磨损转变.在真空摩擦过程中PFPE润滑脂主要以物理退化为主,即润滑脂中基础油和增稠剂的相对比例发生变化.同时,PFPE润滑脂与2Cr13钢在摩擦过程中发生化学反应,生成具有催化作用的Fe F3.但由于所生成的Fe F3量较少,并未使PFPE润滑脂发生化学降解.     

MGO-MicroLMs/PS微胶囊润滑复合材料制备及摩擦学性能

以改性氧化石墨烯(MGO)/聚苯乙烯为复合壁材,硬脂酸丁酯为润滑芯材,通过种子微悬浮聚合法制备了改性氧化石墨烯微胶囊润滑材料(MGO-Micro LMs),以MGO-Micro LMs为润滑添加剂,经本体浇铸成型制备MGOMicro LMs/PS复合材料.采用IR和SEM表征了化学组成和微观形貌,以微机控制电子万能试验拉伸机和高速往复摩擦磨损试验仪评价了断裂行为和摩擦学性能,以Mico-XAM非接触式三维表面轮廓仪观察磨痕表面形貌并计算磨损率.结果表明:MGO-Micro LMs在聚苯乙烯基体中具有良好的分散性和相容性,同时对聚苯乙烯基体材料具有增韧效果;MGO-Micro LMs可以提高聚苯乙烯基体材料摩擦磨损性能,具有润滑和减摩作用,MGO-Micro LMs润滑机理为边界润滑.     

超声振动对纳米二氧化硅(n-SiO2)添加剂减摩抗磨性能的影响

在有和无超声振动条件下,分别考察了含不同质量百分数n-SiO2添加剂的减摩抗磨性能,初步探讨了超声振动下纳米二氧化硅(n-SiO2)添加剂的润滑机理.结果表明:超声振动通过减小纳米微粒所受的正压力、促进纳米微粒滚动及增加摩擦表面的活性3种方式改善摩擦表面的润滑状态.超声振动使n-SiO2润滑下的磨痕深度下降,表面硬度降低,磨损表面Si元素含量增加,有效地改善了摩擦表面的润滑状态.在试验范围内,超声振动对0.5%n-SiO2添加剂的减摩抗磨性能影响效果最显著,摩擦副间的摩擦系数和45#钢表面的磨损体积量分别降低了12%和34%.     

PTFE@SiO2核壳型添加剂在不同实验条件下的水润滑性能

采用原位聚合法制备了聚四氟乙烯@二氧化硅(PTFE@SiO₂)复合粒子. 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、粒径分布仪以及傅立叶红外光谱仪(FTIR)对复合粒子的形貌、粒径分布和组成结构进行了分析. 结果表明:所制备的复合粒子呈核壳型复合结构,粒子尺寸处于亚微米级别. 分散性试验表明:该粒子在水中具有良好的分散性和稳定性. 利用LSR-2M往复式摩擦磨损试验机测试了不同试验条件下复合粒子在水环境中的摩擦学性能,结果表明:在常温、0.019 m/s滑动速率以及0.2 μm的钢盘粗糙度下,PTFE@SiO₂润滑剂具有最佳的摩擦学性能;相比于纯水和添加了PTFE/SiO₂的润滑剂,其摩擦系数降低了近80%,磨损体积减小了1~2个数量级. 分析表明:PTFE@SiO₂复合粒子优异的水润滑性能主要与核壳结构的存在以及在摩擦过程中形成的高质量转移膜密切相关.      

B4C/hBN复相陶瓷与球墨铸铁配副在乳化液润滑下的摩擦学性能研究

本文中以热压烧结法分别制备纯碳化硼陶瓷(B_4C)及含30%质量分数的六方氮化硼的碳化硼/六方氮化硼复相陶瓷(B_4C/h BN)作为销试样,与球墨铸铁(QT)盘试样分别在浸入及滴入乳化液润滑条件下进行摩擦磨损试验.借助对摩擦表面的观察,对试验前后乳化液成分的分析等手段,结合摩擦系数及磨损率规律,澄清了在不同乳化液加入方式下,纯B_4C陶瓷及B_4C/h BN复相陶瓷与铸铁配副各自的磨损机制及润滑机理.研究表明:在浸入乳化液润滑条件下,纯B_4C陶瓷与QT配副时,摩擦系数随着摩擦过程的进行可降低至0.03,达到流体润滑,而B_4C/h BN复相陶瓷与QT配副时,配副的摩擦系数始终高于0.1;相反,在滴入乳化液润滑条件下,纯B_4C陶瓷与QT配副的摩擦系数高于0.1,而B_4C/h BN复相陶瓷与QT配副的摩擦系数降低至0.003.