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有機鉍應用

納米錫、納米鉍、納米銅等納米金屬粉末在潤滑油添加劑中的應用

納米錫、納米鉍、納米銅等納米金屬粉末在潤滑油添加劑中的應用
一 基本知識介紹
納米潤滑是在原子、分子尺度研究相對轉動界面上的摩擦磨損與潤滑行為,而揭示微觀摩擦磨損機理,設計與制備出納米尺度上的潤滑劑及摩耐磨材料的學科。它是隨著納米科學與技術的發展而派出來的,是90年代以來摩擦學研究領域活躍的,也是材料科學與摩擦學交叉領域前沿的內容。它產生的推動力來源于高技術發展的需求,同時近代測試技術的不斷出現也推動了納米摩擦學的發展。高技術中的諸多摩擦學問題都對其抗磨、防擦及潤滑提出更高的要求。但是無機納米粒子油溶性差, 一般是靠分散劑的作用或借助強力攪拌、超聲分散將納米粒子分散在基礎油中。但是由于納米粒子粒度小, 表面能高, 粒子之間容易發生團聚, 納米材料在潤滑油中的分散和穩定成為限制其在潤滑油添加劑中應用的主要問題之一。選擇表面修飾劑不僅要考慮其油溶分散性、穩定性, 還要考慮表面活性劑解吸后在油中要有良好的摩擦學性能。目前采用的表面修飾劑主要有: 二烷基二硫代磷酸(DDP)、烷基磷酸醋、硬脂酸、油酸、EHA、含N 有機化合物等。
二 納米潤滑添加劑的研究進展
同常規材料相比,納米材料是一種低維材料。由于材料的超細化,其表面層原子占有很大的比重,所以納米材料實際上是晶粒中原子的長程有序排列與無序界面成分的組合。將納米材料應用于潤滑體系,是一個全新的研究領域。目前,被用作潤滑油添加劑加以研究的納米微粒主要有納米單質、納米氧化物、納米氮化物、納米碳化物、納米氫氧化物、納米硫化物、納米稀土化合物以及聚合物納米微粒等。其中低熔點金屬,例如錫、銦、鉍及其合金等,是常用的膜潤滑材料和防護材料。這類金屬的納米微粒作為潤滑油添加劑有望顯著改善潤滑油的摩擦學性能。鉍納米微粒添加劑的研究表明,鉍是“環境友好”的、與S、P、Cl 等元素有良好協同性的、可以取代鉛的重金屬元素。但是,目前這類金屬的納米微粒通常是由化學法來制備的。例如錫和銦納米微粒常常通過相應的金屬有機化合物熱分解來制備,鉍納米微粒是還原法來合成的,這些方法僅適宜于實驗室研究。對于這類金屬及其合金納米微粒,可以采用直接分散的方法進行制備。這種方法的特點是使用單一的試劑(金屬單質或合金),并且金屬單質的成本遠遠低于其相應的金屬鹽、金屬有機化合物, 因此這種方法有獲得工業化的可能。
三 可行性和現實意義
錫、銦、鉍及其合金的熔點都低于300℃,許多有機溶劑的沸點都高于這一溫度,并能長時間保持穩定,因此便于找到合適的反應介質。直接分散法制備錫、銦和鉍納米微粒及其摩擦學性能納米微粒由于具有特殊的物理化學性能和較小的粒子尺寸在摩擦領域中倍受關注, 而將納米微粒用作潤滑油添加劑是近年來潤滑領域中的一個研究熱點。研究表明納米微粒由于自身組成和結構上的特點,具有不同于傳統有機潤滑添加劑的潤滑特性。具體表現在以下三個方面:(1)納米微粒多為球形,它們在摩擦對偶面間可能起一種類似“球軸承”的作用,從而有效提高潤滑油的摩擦學性能;(2)在重載荷和高溫下,摩擦對偶面間的納米微粒可能被壓平,形成一滑動系,從而降低摩擦和磨損;(3) 納米微粒可以填充在工件表面的微坑和損傷部位,有可能實現摩擦表面的原位修復。金屬納米微粒潤滑劑兼有納米微粒上述三種機制的聯合作用,被認為有可能成為新一代的潤滑添加劑。
四(si)? 舉例(li)—錫納米微粒(li)潤(run)滑劑的制備和表征及其摩擦學(xue)性(xing)能


錫納米微粒的形成機理分析:
根據(ju)以上的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi),可以看出(chu)錫(xi)納(na)米(mi)微粒(li)(li)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)過程主要涉及到以下(xia)幾個(ge)(ge)方(fang)面(mian):錫(xi)液(ye)(ye)滴(di)(di)在(zai)(zai)(zai)(zai)剪切(qie)力作用(yong)下(xia)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)散(san)(san)和再分(fen)(fen)散(san)(san)、錫(xi)液(ye)(ye)滴(di)(di)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鈍化(hua)(hua)(hua)以及液(ye)(ye)滴(di)(di)表(biao)(biao)面(mian)吸(xi)附(fu)溶劑分(fen)(fen)子(zi)等。錫(xi)納(na)米(mi)微粒(li)(li)可能(neng)是通過以下(xia)的(de)(de)(de)(de)機制形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de):首先較大的(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬(shu)液(ye)(ye)滴(di)(di)在(zai)(zai)(zai)(zai)剪切(qie)力的(de)(de)(de)(de)作用(yong)下(xia)被分(fen)(fen)散(san)(san)成(cheng)(cheng)(cheng)較小(xiao)的(de)(de)(de)(de)滴(di)(di),這(zhe)(zhe)是一(yi)(yi)個(ge)(ge)動力學不穩(wen)定過程。在(zai)(zai)(zai)(zai)這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)分(fen)(fen)散(san)(san)過程中體系(xi)總(zong)的(de)(de)(de)(de)界面(mian)能(neng)是增加的(de)(de)(de)(de),這(zhe)(zhe)些小(xiao)液(ye)(ye)滴(di)(di)傾向于(yu)團聚成(cheng)(cheng)(cheng)大的(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)滴(di)(di)以降低(di)體系(xi)總(zong)的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)能(neng),所以單一(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)剪切(qie)作用(yong)并不能(neng)完成(cheng)(cheng)(cheng)金(jin)(jin)屬(shu)液(ye)(ye)滴(di)(di)的(de)(de)(de)(de)超細(xi)化(hua)(hua)(hua)。另(ling)一(yi)(yi)方(fang)面(mian),金(jin)(jin)屬(shu)液(ye)(ye)滴(di)(di)的(de)(de)(de)(de)新生表(biao)(biao)面(mian)具(ju)有(you)(you)很(hen)高的(de)(de)(de)(de)活(huo)性,易(yi)與介質中的(de)(de)(de)(de)氧(yang)(yang)發生反應形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)物殼層(ceng)。一(yi)(yi)旦液(ye)(ye)滴(di)(di)表(biao)(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)了氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)物殼層(ceng),氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)物殼層(ceng)將(jiang)有(you)(you)效地阻止液(ye)(ye)滴(di)(di)間的(de)(de)(de)(de)熔(rong)合;同時(shi),氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)物層(ceng)能(neng)夠(gou)有(you)(you)效地吸(xi)附(fu)溶劑分(fen)(fen)子(zi),在(zai)(zai)(zai)(zai)液(ye)(ye)滴(di)(di)表(biao)(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)有(you)(you)機分(fen)(fen)子(zi)包覆層(ceng),這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)有(you)(you)機包覆層(ceng)將(jiang)大大提高金(jin)(jin)屬(shu)液(ye)(ye)滴(di)(di)在(zai)(zai)(zai)(zai)溶劑中的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定性。其次,在(zai)(zai)(zai)(zai)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)物層(ceng)的(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)(zai)(zai)下(xia),金(jin)(jin)屬(shu)液(ye)(ye)滴(di)(di)被進(jin)一(yi)(yi)步分(fen)(fen)散(san)(san)成(cheng)(cheng)(cheng)更小(xiao)的(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)滴(di)(di),終(zhong)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)納(na)米(mi)量級(ji)的(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬(shu)液(ye)(ye)滴(di)(di)。后,通過降低(di)體系(xi)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度,這(zhe)(zhe)些小(xiao)液(ye)(ye)滴(di)(di)就轉變成(cheng)(cheng)(cheng)金(jin)(jin)屬(shu)納(na)米(mi)微粒(li)(li)。

錫納米微粒的摩擦學性能


以上給出了摩擦系數與添加濃度的關系曲線, 固定載荷300 N。一般認為納米微粒的添加對系統減摩性能產生兩種相反的效應: 一方面, 納米微粒在摩擦表面能夠有效的滾動從而降低摩擦系數; 另一方面納米微粒的加入破壞了摩擦表面潤滑油膜的完整性, 引起油膜局部擾動, 使摩擦系數增大。納米微粒的減摩效果主要取決于這兩種效應的加和, 當滾動效果占優勢時, 表現為摩擦系數減小, 否則, 摩擦系數增大。從圖上可以看出, 摩擦系數對添加濃度的變化非常敏感。在錫納米微粒添加量為0.25%-1%時, 納米微粒呈現出良好的減摩性能。
減摩抗磨機理分析:
其作用機理可歸納如下: ①納米微粒大多為球狀, 能起到類似“球軸承”的作用, 從而提高潤滑性能; ②在重載或高溫條件下, 兩摩擦表面間的球形顆粒壓扁, 形成金屬- 金屬滑動系, 從而具有優異的極壓和抗磨性能; ③納米微粒可以填充摩擦表面的微坑和損傷部位, 起到自修復作用; ④滲透和摩擦化學反應膜機制, 納米顆粒吸附摩擦表面形成物理吸附膜, 在摩擦過程中通過擴散、滲透作用在金屬表面形成具有良好摩擦學性能的滲透層和擴散層, 納米微粒中元素滲透到金屬表面或亞表面與基體組分形成固溶體, 同時納米微粒也可以在摩擦表面上發生化學反應。生成耐磨的化學反應膜; ⑤超光滑表面作用機制, 硬制納米微粒添加到潤滑油中的作磨光材料的精密拋光; ⑥復合納米添加劑協同作用。

前瞻:這不僅是一種簡單使用的方法,而且進一步研究發現這還是一種普適的方法對于錫、銦、鉍及其合金都可用這種方法

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