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表面修饰片状纳米Cu粉的制备及其摩擦学性能

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发表于 2020-4-20 23:13:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
文章导读:

以硬脂酸为过程处理剂,采用等离子球磨制备表面修饰片状纳米Cu粉,使片状纳米Cu粉体表面吸附并化学键合了非极性基团,Cu粉获得亲油疏水表面特性。在高载荷、高转速工况下,片状纳米Cu粉显示出良好的减摩自修复效果,有效提高了润滑油的极压抗磨性能。
一、制备方法
将Cu原始粉末与3wt%硬脂酸混合均匀,磨罐内的气氛为1bar的高纯Ar气,经等离子球磨5h后取粉,制备得到表面修饰片状纳米Cu粉。
二、结果与分析

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图1:Cu粉体的SEM图像原始铜粉;等离子球磨5h

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图2:片状纳米Cu粉的TEM图像


经等离子球磨得到的片状纳米Cu粉的厚度在20nm左右,晶粒尺寸在15nm左右,说明球磨导致了Cu的晶粒尺寸减小和晶格畸变增大。另外,没有发现氧化和污染现象。

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图3:硬脂酸和片状纳米Cu粉的红外吸收光谱

由图3结果可得,在球磨过程中,由于等离子体的协同作用,硬脂酸发生裂解、气化或电离等变化,C=O键发生断裂并与活性极大的片状纳米Cu粉表面形成Cu-O键。即硬脂酸以Cu-O键的形式与铜核之间形成了稳定的化学键合,而非普通球磨产生简单的物理或者化学吸附来实现对粉体的表面改性。等离子球磨制备的片状Cu粉亲油化度测定为37.5%,而利用普通球磨5h制备的硬脂酸修饰Cu粉的亲油化度仅为28.5%。可见经过等离子球磨后,硬脂酸表面修饰的效果更好,改性后的片状纳米Cu粉体表面吸附或化学键合了非极性长链基团,这些基团展露在外能与其他有机介质亲和,降低界面张力,Cu粉由亲水疏油性转变为亲油疏水性。

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图4:100N和200N载荷下基础油和复合油的摩擦因数及磨损失重

由图4可知,同等载荷下复合油的摩擦因数均小于基础油,当载荷增加,基础油的承载能力不足导致摩擦副的真实接触面积增大,使得摩擦因数增加,而复合油中的片状纳米Cu粉具有良好的减摩效应,同时又可以提高基础油的承载能力,因此复合油的摩擦因数反而减小。同等载荷下基础油中试样的磨损失重均大于复合油,且当载荷增加时,复合油中的磨损失重反减不增,在90min时试样出现“负磨损”现象,即在高载荷工况下,复合油发挥了一定的自修复效果。

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图5:100N和200N载荷下的磨痕形貌100N基础油;100N复合油;200N基础油;200N复合油

由图5可见,在100N载荷下,基础油中摩擦副表面的犁沟磨痕比复合油中的更宽更深。当载荷增加到200N时,基础油润滑的试样表面沟壑进一步加宽加深,并且出现明显的磨粒剥落,但200N复合油中的试样表面磨痕反而细化,整个表面显得更为平整。表明片状纳米Cu复合润滑油在高载荷时具有更佳的减摩抗磨性能。当提高载荷时,在摩擦力和摩擦热的作用下,等离子体辅助球磨制备的高活性片状纳米Cu粉更加容易发生熔融并吸附铺展在摩擦副表面,把磨损表面的划痕和裂纹弥合,即对摩擦副表面沟壑、凹坑等进行一定的填补和修复,产生图7中的低磨损量甚至“负磨损”现象。
三、原理
在等离子球磨Fe,Cu等金属粉体时,等离子体产生的温度场和电场协同磨球的机械撞击作用,能够促使金属粉体发生剧烈形变,极易获得薄片状纳米金属粒子。这些等离子球磨制备的纳米粒子具有严重的晶格畸变,表现出极大的反应活性,作为润滑油添加剂将有利于表面摩擦化学反应膜的形成。

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