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.     

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.     

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.     

碳纤维铜基复合材料的摩擦学性能研究

本文对碳纤维铜基复合材料与钢组成的摩擦副进行了摩擦学性能研究,在不同的滑动速度和不同的载荷条件下,得出了摩擦系数和比磨损率的试验结果,并且对碳膜的形成和破裂,摩擦系数的变化过程,以及出现的磨损状态等进行了分析和讨论。     

氮化碳增强聚四氟乙烯摩擦学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究氮化碳(C₃N₄)对聚四氟乙烯(PTFE)摩擦学性能的影响. 首先,建立了纯聚四氟乙烯和氮化碳/聚四氟乙烯复合材料两个无定型模型,优化后分别计算其机械性能. 模拟结果显示:加入氮化碳后,聚四氟乙烯的杨氏模量和剪切模量分别提高了218% 和141%. 然后为了计算摩擦学性能,建立了与铜对摩的摩擦模型,对金属铜层施加一定的载荷和速度进行滑动磨损. 模拟结果显示:纯聚四氟乙烯的摩擦系数为0.144,磨损率为27.6%;氮化碳/聚四氟乙烯基体的摩擦系数为0.118,未见明显的磨损. 最后通过提取摩擦界面温度、原子运动速度、原子相对浓度、径向分布函数和结合能等数据,从原子尺度揭示了氮化碳对聚四氟乙烯摩擦学性能的作用机制.      

Si_3N_4陶瓷/冷激铸铁的摩擦学性能研究

采用块 -盘摩擦磨损试验机考察了陶瓷与冷激铸铁在干摩擦条件下的摩擦磨损行为 .通过研究发现 ,该摩擦副的摩擦系数随载荷和速度的增大而减小 ,当载荷和速度较大时 ,陶瓷的磨损严重 ,而由于摩擦温度升高引起的冷激铸铁材料的转移也会使陶瓷出现负磨损 .对磨损表面的形貌分析和化学成分测试结果表明粘着磨损和疲劳磨损在磨损过程中占主导地位 .     

掺W类金刚石薄膜的高温摩擦学行为

采用阳极层流型离子源结合非平衡磁控溅射技术制备了含氢掺钨类金刚石(W-DLC)薄膜,利用TEM、SEM、XRD、Raman光谱仪和摩擦磨损试验机等方法分析了薄膜的结构、形貌以及在高温下的摩擦学性能,探讨了W-DLC薄膜在高温下摩擦磨损行为作用机理.结果表明:W-DLC薄膜中钨原子以WC1-x纳米晶团簇的形式随机分布于碳基质中,增强了薄膜的韧性.W-DLC薄膜在25~200℃范围内的摩擦系数可稳定在0.1以下,在300℃时的摩擦系数则高达0.5,当试验温度进一步升高到400℃时,薄膜的摩擦系数反而降低至0.3左右,当试验温度升高到500℃时,W-DLC薄膜中的W被氧化生成WO_3和摩擦诱导生成的石墨共同作用,使得薄膜的摩擦系数降到0.15左右,说明W-DLC薄膜在高温下仍然具有优异的减摩特性.然而,W-DLC薄膜的磨损率在25~500℃范围内表现出随着温度的升高而不断增大的趋势.     

油溶性Cu纳米微粒作为15W／40柴油机油添加剂的摩擦学性能研究

制备了油溶性铜纳米微粒，用四球摩擦磨损试验机考察了其作为CD15W／40柴油机油添加剂的摩擦学性能；用扫描电子显微镜、X射线能量色散谱仪和X射线光电子能谱仪分析了钢球磨损表面形貌、组成和化学状态．结果表明：油溶性铜纳米微粒作为添加剂能显著改善CD15W／40柴油机油的摩擦学性能；在载荷196N、试验时间60min和载荷为392N、试验时间为30min，最佳纳米铜含量条件下，相应的钢球磨斑直径同基础油润滑下相比分别减小了24％和42％；当添加浓度达到1％时，CD15W／40柴油机油的pB和pD值分别提高了约200N和800N．这同其在摩擦副接触表面的沉积行为有关。     

B4C/hBN复相陶瓷与球墨铸铁配副摩擦学性能研究

本文中以热压烧结法制备不同hBN质量分数(0%、10%、20%和30%)的B4C/hBN复相陶瓷作为销试样,与球墨铸铁(QT)盘试样在空气润滑条件下进行销-盘式摩擦磨损试验,滑动速度为0.66 m/s,磨程为850 m,载荷为5 N.借助扫描电子显微镜(SEM)观察摩擦表面和磨屑的形貌特征,利用X光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等分析手段表征磨面和磨屑的物质组成,得出复相陶瓷成分、试验参数对配副摩擦学性能的影响.研究表明:hBN质量分数为0%和10%的复相陶瓷(BN00、BN10)与铸铁配副时,磨损机制以黏着磨损为主,摩擦系数为0.5,h BN质量分数为20%和30%的复相陶瓷(BN20、BN30)与铸铁配副时,陶瓷销表面出现连续的表面膜,该表面膜主要由Fe_2O_3、Fe_3O_4、B_2O_3、B_4C及h BN等物质组成,摩擦系数降低至0.2;随着载荷的升高,QT-BN00与QT-BN10配副磨损机制仍以黏着磨损为主,摩擦系数与5 N载荷无明显变化,而QT-BN20与QT-BN30配副摩擦系数随载荷上升而升高,当载荷为10 N时,摩擦系数升至0.6.     

炭纤维增强环氧树脂复合材料/N80钢摩擦学性能研究

利用MG-200型摩擦磨损试验机研究了炭纤维增强环氧树脂复合材料/N80钢的摩擦学性能,考察了介质温度对摩擦学性能的影响;用扫描电子显微镜分析了磨损表面形貌.结果表明:在干摩擦条件下,炭纤维增强环氧树脂复合材料与N80钢对摩时的摩擦系数较低,炭纤维增强环氧树脂复合材料的磨损主要表现为树脂基体脱落碳化和炭纤维的折断剥落,偶件钢环则呈现明显的磨粒磨损特征;在油井产出液润滑下炭纤维增强环氧树脂复合材料的磨损率较低,摩擦系数和磨损率随着润滑介质温度的升高而增大,偶件钢环则呈现明显的磨粒磨损和腐蚀磨损特征.     

摩擦诱导生物燃料碳烟微粒组分与结构变化机制研究

摩擦会诱导碳烟微粒参与润滑膜形成,但对润滑界面碳烟微粒组分和结构变化研究较少.为了进一步丰富碳烟摩擦学理论,在端面摩擦试验机上,分别以3%(质量分数)生物燃料碳烟(BS)污染的液体石蜡和CD SAE 15W-40全配方油为润滑油,探索了摩擦力诱导及Ti F3和Fe F3的催化作用下,BS微粒组分和结构的变化情况.利用XPS对摩痕区域表面膜碳元素Csp2和Csp3含量进行了定性定量表征;利用拉曼光谱仪分析了表面膜碳烟微粒结构变化,并对BS微粒组分和结构变化机制进行了讨论.结果表明:在294 N、1 500 r/min,催化剂Ti F3和Fe F3存在下,无定型碳含量降低(R3降低),表面有序化石墨烯含量明显增多(ID2/IG’增加),表面石墨烯缺陷位点明显增多(ID1/IG’).碳烟微粒在摩擦剪切及摩擦热的作用下,其外层结构容易发生剥离并在摩擦副表面形成润滑膜,然后因Ti F3和Fe F3的催化作用,润滑膜中碳元素会向有序化石墨烯转化.     

十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)修饰的蜡烛灰作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究

通过简单方法收集的蜡烛灰表面呈负电性,可以用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)进行修饰,利用透射电镜观察修饰后蜡烛灰的形貌,发现蜡烛灰是由20 nm左右的洋葱状碳纳米颗粒组成,分散性更好,粒径更加均匀,修饰后明显改善其在液体石蜡(LP)中的分散稳定性.利用Optimol SRV-IV往复振动摩擦磨损试验机评价了修饰前后蜡烛灰在LP中的摩擦学性能.结果表明:蜡烛灰作为LP的添加剂不能明显改善其润滑性能,但是表面修饰的蜡烛灰在LP中能够显著降低摩擦和减小磨损,因而具有良好的润滑性能.通过扫描电子显微镜、拉曼光谱以及X-射线能谱进一步推测两种蜡烛灰在LP中的润滑机理.     

含污染物油润滑条件下n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的摩擦学性能研究

采用电刷镀技术制备了n-Al2O3／Ni复合镀层，在T-11型球一盘式摩擦磨损试验机上对比考察了快速镍镀层及纳米复合刷镀层在含污染物油润滑条件下的摩擦学性能．结果表明，由于纳米颗粒的强化作用，n-Al2O3/Ni复合镀层的硬度及含污染物油润滑条件下的耐磨性比快速镍镀层分别提高了60％和30％，其磨损机理在低载下以磨粒磨损为主，在高载下以粘着磨损为主。     

碳纳米管作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能研究

采用催化裂解法制备了多壁碳纳米管,在M-200型摩擦磨损试验机上考察了碳纳米管作为长城SE级15W/30汽油机油添加剂的摩擦磨损性能,采用表面形貌仪测量其磨斑轮廓并计算磨损体积损失,用扫描电子显微镜对磨斑表面形貌进行观察分析. 结果表明: 碳纳米管作为润滑油添加剂表现出优良的抗磨性能,在质量分数仅为0.0125%～0.1000%时,润滑油的抗磨性能显著提高;在质量分数约为0.0500%时其抗磨效果最佳,磨损率降低幅值达57%;在较高载荷下,添加0.0250%的碳纳米管能够使其摩擦系数减小约15%,但随着碳纳米管质量分数的增加,摩擦系数迅速提高;含碳纳米管润滑油的磨斑表面平整,划痕较细且分布均匀.     

有机钼添加剂对不同基底材料的摩擦学性能研究

在不同温度、载荷和速度条件下,考察非硫磷油溶性有机钼(SPFMo)添加剂对发动机低黏度润滑油(0W-20)在轴承钢、铝合金以及钛合金等五种不同材料表面摩擦学性能的影响.采用三维共聚焦激光显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对不同基底材料磨痕的形貌、磨损体积和元素成分进行测量和分析.结果表明：在五种材料表面,SPFMo均可明显提高0W-20的减摩抗磨性能.温度越高,SPFMo的作用效果越明显,除钛合金外四种材料的摩擦系数最高可降低18%～23%;五种材料的摩擦系数和磨损率均随着载荷的升高而升高;随着摩擦速度的升高,五种材料的摩擦系数呈现出不同的变化规律,但磨损率均随摩擦速度的升高而升高.研究结果可为新型发动机的润滑油选用和设计提供有力的技术支撑和理论参考.     

硅碳氢润滑油的空间长寿命润滑性能分析

为分析硅碳氢润滑油(SiCH)在真空边界润滑工况下的润滑特性,采用真空螺旋轨道摩擦试验机(SOT)测试了在1.5、1.75和2 GPa三种接触应力下润滑油的名义润滑寿命,利用真空往复摩擦试验机(SRV)测试了润滑油的往复滑动摩擦系数. 利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)及X射线光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面进行显微形貌、元素组成及化学状态进行分析. 结果表明:硅碳氢润滑油的真空名义润滑寿命较高,达到1 936 r/μg(转/微克),其往复滑动摩擦系数和磨斑直径较815Z全氟聚醚润滑油均较小,耐磨寿命较长,具有良好的真空边界润滑性能. 真空四球试验前后润滑油的红外透过率分析结果表明,润滑油在红外地球敏感器工作的14~16.25 μm波段透过率无明显变化. 在电机真空寿命验证试验中,采用硅碳氢润滑油润滑的扫描电机旋转次数最高已达6.04×108次. 润滑油的摩擦性能测试和电机寿命验证试验结果为处于边界润滑工况下的空间运动机构润滑失效提供了定量的判据,也为其他类似工况下的运动机构长寿命润滑设计提供试验依据.      

MoS2/WS2共溅射复合薄膜的微结构及其摩擦磨损性能研究

采用磁控溅射共溅射法制备MoS2/WS2复合润滑薄膜,利用X射线衍射仪、X射线能谱仪及透射电子显微镜对薄膜的成分和结构进行分析,采用UMT-2MT型微摩擦磨损试验机在大气(相对湿度45%～50%)和室温(20～25 ℃)环境下评价薄膜的摩擦磨损性能.结果表明,MoS2/WS2复合薄膜结构致密,具有较好抗氧化性,其耐磨寿命、摩擦稳定性和抗载荷能力比MoS2磁控溅射薄膜均有显著提高,而摩擦系数更低.     

表面修饰空心微珠作为润滑脂添加剂的摩擦学性能

制备了不同质量分数的表面修饰空心微珠的复合钙基润滑脂,用以考察空心微珠在润滑脂中的减摩抗磨性能.采用面-面接触式万能摩擦磨损试验机对润滑脂体系的减摩抗磨性能进行对比研究.利用扫描电子显微镜和X射线能谱仪对摩擦表面形貌和组成进行了分析.结果表明:添加空心微珠能有效改善润滑脂的减磨抗磨性能,在转速为1 200 r/m in、载荷为200 N、空心微珠质量分数为1%时,摩擦系数降低37.5%,磨损量降低33%.