摘要
从维度和微观结构来看，碳元素的同素异构体最为全面、丰富，零维的富勒烯C60呈完美的球形，一维的碳纳米管呈管状，二维的石墨烯呈极薄的片状以及三维的层状石墨。它们都具有特定的自润滑特性，有成为“分子滚珠（轴）”润滑添加剂的潜力，在流体及固体润滑领域得到了广泛的关注。本文对四种碳纳米添加剂在润滑油中的分散行为、润滑性能及其作用机理进行了系统的研究。
采用离心沉降和吸光值测定等方法考察了5种表面活性剂对纳米石墨在润滑油中的分散稳定性，确定了在润滑油中最适合分散碳纳米添加剂的表面活性剂及其使用浓度。结果表明，油酸是碳纳米添加剂在润滑油中提高分散稳定性最有效的表面活性剂，油酸的适宜浓度为2﹪。这主要是缘于油酸作为表面活性剂具有低的HLB（Hydrophile-Lipophile Balance）值、良好的亲油性以及油酸对碳纳米添加剂在润滑油中的分散属于L型吸附等温线类型。
超声波分散是提高碳纳米添加剂在润滑油中的分散效率和稳定性非常有效的工艺方法。不同碳纳米添加剂的结构致密程度不同，合适的超声波分散时间也不同，纳米石墨、石墨烯合适的分散时间为30min，而碳纳米管的则需达到120min。
采用油酸和超声波分散相结合的方式可有效提高纳米石墨、碳纳米管和石墨烯在润滑油中的分散稳定性，但也由于不同碳纳米添加剂在比表面积、堆密度上的差别也产生了明显的差别。由于碳纳米管结构致密分散困难，超声波分散时间长，但实现良好分散后仍可表现出好的稳定性；而石墨烯形态十分松散，比表面积非常大，在润滑油中分散最为容易并可保持高的稳定性；而纳米石墨在分散容易程度和稳定性方面而介于碳纳米管和石墨烯之间。富勒烯则以其特殊的球形结构能够容易地溶于环状结构的甲苯等有机溶剂中，有效解决了在润滑油中的分散问题。
采用四球机全面考察了3种不同粒径石墨、碳纳米管、石墨烯和富勒烯在润滑油中的润滑性能，并采用SEM分析了磨斑形貌。结果表明，石墨在润滑油中具有优异的抗磨、减摩性能和一定的极压性能，纳米石墨的性能要明显好于微米石墨，特别是35nm和100nm石墨在中低负荷、50ppm35nm石墨和200ppm100nm石墨在高负荷下的抗磨性能十分突出，以及高负荷下纳米石墨的减摩性能也十分优异；石墨烯也具有优异的抗磨性能和减摩性能，特别是200ppm浓度的石墨烯在高负荷下也表现得十分优异；50ppm和100ppm的碳纳米管在中低负荷下表现出了优异的抗磨性能，浓度增大中低负荷下的抗磨性能有变差的趋势，高负荷下抗磨性能都不好，但磨损后碳纳米管的修复作用表现出了良好的减摩性能；100ppm浓度以上的富勒烯在高负荷下表现出了优异的抗磨性能，其它负荷下的抗磨性能和减摩性能都表现得非常一般。采用四球实验方法考察了富勒烯、碳纳米管、石墨烯和纳米石墨的不同复配组合的润滑性能，并采用SEM分析了磨斑形貌及其作用机理。结果表明，富勒烯与碳纳米管、石墨烯的复合使用取得了理想的效果，有效提高了各种负荷下的润滑性能，全面提高了油品的润滑性能；而碳纳米管与纳米石墨的复合使用，只是保持了单剂时的性能，没有取得更突出的润滑性能。究其原因，碳纳米添加剂的复合使用不像含有硫、磷等活性元素的添加剂的复合使用能在摩擦过程中发生化学反应而产生新的化学物质，不同添加剂在润滑性能只是上产生了加和作用，并没有产生明显的协同效应。依据不同碳纳米添加剂的润滑性能结果，构建了碳纳米添加剂的润滑作用机理模型，并根据各种碳纳米添加剂最佳润滑性能的使用浓度提出了纳米颗粒分散度的理论概念。结果表明，合适浓度的纳米石墨、石墨烯在低负荷下能够有效修复摩擦副表面获得良好的抗磨性能，而高负荷下能够形成致密的润滑膜层阻止了剧烈磨损的出现，全方位提高了油品的润滑性能；碳纳米管在低负荷下可能产生了滚动轴承的作用，有效提高了油品的润滑性能，由于超大的长径比制约了高负荷下牢固润滑膜层的形成，无法避免剧烈磨损的出现，但仍表现出了优异的减摩性能；完全溶于油品的富勒烯在中、低负荷下增大了润滑油的内摩擦力，油品的减摩性能有变差的趋势，而依靠其极强的耐压能力，在高负荷下有效阻止了剧烈磨损的出现，表现出了优异的抗磨性能。纳米石墨在航空润滑脂中具有良好的抗磨性能和减摩性能，纳米石墨与纳米MoS2的复配使用提高了航空润滑脂的高负荷润滑性能，有效拓展了航空润滑脂的使用负荷范围，提高了航空润滑脂的通用性。总的来说，碳纳米添加剂在润滑油、脂具有良好的润滑性能，在润滑领域拥有广阔的应用前景。该研究成果进一步认清了四种碳纳米添加剂的润滑特性及其作用机理，为丰富摩擦领域理论与实践研究做出了有益的探索。
The isomers of carbon element are the most comprehensive and affluent indimension and microstructure, including fullerene, carbon nanotubes, graphene andgraphite. In this dissertation, dispersion and lubricating performances of carbonnano-additives were investigated in the lubricating oil, and their mechanism wasproposed.
Oleic acid is the most effective surfactant to improve the dispersion stabilities ofcarbon nano-additives in the lubricating oil, and its optimal concentration is2%. Theulrasonicated dispersion is helpful to improve obviously the dispersion efficiency andstability of carbon nano-additives. The optimal uhrasonicated time of nano-graphiteand graphene is30min, but the CNTs’ is120min. The methods combined oleic acidwith ulrasonicated dispersion can improve the dispersion stabilities of nano-graphite,CNT and Graphene in the lubricating oil.
A four-ball machine was used to investigate the lubricating properties ofnano-graphite with three diameters, CNT, graphene and fullerene, the wear scars wereanalyzed by SEM. The results indicate graphite has excellent properties of anti-wearand friction-reducing, and the property of extreme pressure. Graphene also has goodproperties of anti-wear and frication-reducing, especially the anti-wear property ofGraphene with200ppm concentration at high load. The CNTs with50ppm and100ppm concentration have good anti-wear properties at low&middle load,friction-reducing property at high load. Fullerence with above100ppm concentrationhas good anti-wear property at high loads. The combinations of fullerence and CNT&Graphene have satisfying results and obviously improve the lubricating properties inthe lubricating oil.
Accord to the results of the lubricating properties of different carbonnano-additives, their lubricating mechanisms were modelling. The concept ofdispersion degree was suggested according the used concentration with the bestlubricating properties.
Nano-graphite has good anti-wear and friction-reducing properties in aviationgreases, and the combinations of nano-graphite and MoS2improve obviously thelubricating properties at high loads, broaden the used load range and universalproperties of aviation greases.
All in all, carbon nano-additives have good lubricating properties in the lubricating oils and greases, and have a wide application foreground in the lubricationfield.
引文
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