石墨烯和WS2/石墨烯纳米共混物作为润滑油添加剂的摩擦磨损行为研究

摘要

长期以来，大量的不可再生能源损耗和机械系统故障源于摩擦磨损；控制或减小摩擦磨损的最有效方法是使用润滑剂；因此，润滑技术的进步将对人类社会的生产、生活带来巨大而深远的正面影响，本文认为这是不言自明的。 石墨烯自问世以来，便展现出广阔的摩擦学应用前景。在润滑领域，目前有关石墨烯的研究主要集中在它的使用性能和润滑机理，而关于石墨烯与其它润滑要素的协同润滑的研究却鲜有报道。开展有关石墨烯的协同润滑的研究，不仅能够丰富石墨烯摩擦学的研究内容，也将为石墨烯在润滑领域的应用提供新的思路。近年来，结合微纳米技术和润滑技术，制备出同时具有减摩抗磨和修复功能的润滑剂，是当前润滑领域的研究热点。此外，表面织构能有效改善材料的摩擦学性能，因此，结合表面织构技术和润滑技术，最大程度地发挥润滑要素的作用，也受到越来越多的关注和研究。 本文针对上述两个研究热点，利用UMT-2多功能摩擦磨损试验机，采用球/面接触、钢/钢往复滑动摩擦副，就石墨烯作为润滑油添加剂在织构表面的摩擦磨损行为及WS2/石墨烯纳米共混物作为润滑油添加剂的摩擦磨损行为进行了实验研究；利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅立叶红外光谱仪（FT-IR）和拉曼光谱仪（Raman）等对不同纳米添加剂的微观结构进行了表征；利用2D 形貌仪、3D 形貌仪、光学显微镜（OM）、SEM、X 射线能谱仪（EDX）、Raman和 X 射线光电子能谱仪（XPS）等分析手段评价了摩擦磨损性能、剖析了润滑机理。获得的主要结论如下： （1）制备并表征了3种不同设计的合金铸铁织构表面（平面试样面积率22.1%、19.6%和44.2%）。制备了WS2纳米颗粒及WS2/石墨烯纳米共混物，并对石墨烯、WS2纳米颗粒和 WS2/石墨烯纳米共混物的微观结构进行了表征。利用表面活性剂 Span-80对这3种纳米添加剂进行了表面改性，并考察了它们在PAO4基础油中的分散稳定性，结果表明，WS2/石墨烯纳米共混物的分散稳定性最好。 （2）摩擦磨损试验结果表明，石墨烯作为润滑油添加剂能够改善基础油的润滑性能，添加剂浓度为质量分数0.01%、环境温度为100℃时，石墨烯纳米添加剂的润滑效果最好；EDX能谱、Raman光谱和XPS能谱的表征结果表明，在摩擦过程中，石墨烯吸附在磨痕表面，形成保护膜，改善了润滑状态，从而起到了减摩抗磨作用。 （3）表面织构同时呈现出增摩和减摩正反两方面的作用。相比光滑表面，织构表面粗糙度增大；此外，在摩擦过程中，织构微坑边缘会产生局部的高接触压力，加剧边界膜破裂，增大摩擦磨损。但同时，织构微坑能够储存润滑油和磨屑，起到减摩抗磨作用。织构的排列方式、微坑面积率和微坑间距等参数是影响织构摩擦磨损性能的重要因素。 （4）石墨烯纳米添加剂作用于织构表面时，二者呈现出协同润滑效果。织构表面 在添加石墨烯的润滑油润滑下，摩擦磨损显著降低，且这一减摩抗磨效果明显优于石墨烯纳米添加剂作用于光滑表面时。EDX能谱和Raman光谱的表征结果表明，织构微坑能够诱导石墨烯的石墨化转变，并能储存和不断释放功能化石墨烯，有效促进了石墨烯吸附，极大减轻了摩擦磨损。总体而言，织构微坑面积率越大、微坑间距越小，协同润滑效果越显著。 （5）WS2/GP 纳米共混物作为润滑油添加剂能够显著改善基础油的润滑性能，其最佳使用浓度在质量分数0.02-0.04%之间；相比添加石墨烯或者WS2纳米颗粒的润滑油，添加同等浓度 WS2/GP 纳米共混物的润滑油的润滑效果更好，这一润滑效果也优于添加石墨烯和WS2纳米颗粒的物理混合物的润滑油；Raman光谱、EDX能谱和XPS能谱的表征结果表明，在摩擦过程中，WS2/GP 纳米共混物中的石墨烯和 WS2纳米颗粒发生一定相互作用，促进了石墨烯的吸附作用和WS2纳米颗粒的自修复作用，形成吸附膜和自修复沉积膜，显著改善了润滑状态，极大减轻了摩擦磨损，这是 WS2/GP纳米共混物作为润滑油添加剂的主要减摩抗磨机制，同时，摩擦化学反应也是另一原因。

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