论文摘要
摩擦磨损普遍存在于自然界中，摩擦消耗很大的能源和资源。据报道，世界的能源大约有1／3最终消耗在各种形式的摩擦上。全世界每年因为摩擦磨损造成的损失超过一千亿美元。特别纳米碳材料由于因为其尺度小，质量轻，在油中应具有较好的分散性和稳定性，作为润滑油添加剂已表现出优异的性能。其中，洋葱状富勒烯（Onion-like Fullerenes Nanoparticles—OFLs）由于其超强超韧性，独特的类石墨结构的六边形结构，因具有优异的自润滑性能。由于“纳米-洋葱”层间较弱的范德华力，使得这种“纳米-洋葱”易于分解，在摩擦副间形成一层石墨涂层类似微轴承代替破裂的油膜起润滑作用。这些为洋葱状富勒烯自润滑性能的应用展示了美好的前景。本实验拟通过使用催化热解法制备的洋葱状富勒烯（OFLs）作为润滑油添加剂，利用硬脂酸将其表面改性后经过超声处理分散到润滑油HVI400中，采用红外光谱（IR），电子透射电镜（TEM）等分析手段，详细考察其纳米粒子的结构和表面修饰情况：通过阶梯试验确定了最佳试验条件（最佳试验载荷和温度）；通过润滑油的SRV摩擦磨损实验，研究了洋葱状富勒烯在高温状态下的摩擦性能并提出其相应的摩擦机理：利用扫描电子显微镜（SEM），观察研究了添加不同含量洋葱状富勒烯的表面磨斑形貌；利用表面轮廓仪对其磨损面积和磨损深度进行了表征分析。结果表明：（1）经过硬脂酸进行表面修饰后，可以显著改善洋葱状富勒烯在基础润滑油的分散性和稳定性。采用硫酸和硝酸混合酸对催化裂解法（CVD法）制备的洋葱状富勒烯（OFLs）进行纯化，然后运用硬脂酸对OFLs进行修饰，并利用透射电子显微镜、红外光谱表征了OFLs的表面结构。实验结果表明，通过混合酸处理能够使OFLs表面拥有较多的羟基和羧基官能团；OFLs能够被硬脂酸所包覆，而且修饰后的OFLs在润滑油中的分散性能得到提高。（2）表面改性洋葱状富勒烯能够显著降低HVI-400的抗磨性能。在低载荷情况下，添加表面改性处理洋葱状富勒烯的润滑油，摩擦性能优于未添加表面改性处理洋葱状富勒烯的润滑油，并且能够缩短跑合所需时间。在高载荷情况下，向润滑油中添加表面改性处理的洋葱状富勒烯不仅能够降低体系摩擦系数，而且能够延长润滑油的失效时间。经过表面氧化处理的洋葱状富勒烯和未经表面改性处理的洋葱状富勒烯不仅没有起到降低摩擦的作用，反而增大了摩擦系数。因此可以说明，要使洋葱状富勒烯在润滑油中起到减磨抗磨的作用，必须对其进行表面改性处理。（3）本实验确定了最佳的实验条件，考察了实验温度和载荷对摩擦性能的影响。温度的高低对润滑油的摩擦系数有很大的影响：在试验阶段，温度低，摩擦系数较大，随着温度的逐渐升高，摩擦系数逐渐变小。在润滑油的闪点附近能达到最小值。随后温度升高摩擦系数呈线性增大。载荷的高低对润滑油的摩擦系数也有很大的影响：在试验阶段温度一定时，载荷较低时，摩擦系数较大，随着载荷的逐渐增大摩擦系数逐渐减小，在350N左右能达到最小。经阶梯试验确定最佳试验温度为150℃，最佳试验载荷为350N，此温度载荷为最佳试验条件。（4）在最佳试验条件下，OLFS作为添加剂含量的变化对润滑油摩擦因素的影响也比较大；添加洋葱状富勒烯后的润滑油其润滑性能得到明显提高，摩擦系数随着洋葱状富勒烯添加量的增加而降低，当添加质量分数为0.01wt％洋葱状富勒烯时，基础油的摩擦系数为0.22，比未添加的基础油摩擦系数降低24％左右。随着洋葱状富勒烯添加量的增加，基础油摩擦系数随之降低，在基础油里面添加0.15wt％洋葱状富勒烯时摩擦系数最低，为0.19左右，未添加的基础油的摩擦系数降低了大约40％，其减摩擦性能比较高。由此可知，当洋葱状富勒烯的添加量为0.15％时，相应的润滑体系的摩擦系数最低，摩擦性能最佳。但添加洋葱状富勒烯超过为0.20％时，基础油摩擦系数呈上升趋势，表明加入过多的添加洋葱状富勒烯，会阻碍石墨润滑膜的形成，导致摩擦系数上升。因此，当洋葱状富勒烯的添加量为0.15％时，相应的润滑体系的摩擦系数最低，摩擦性能最佳。（5）在最佳实验条件下，洋葱富勒烯的添加含量对磨损程度的也产生一定的影响。添加洋葱状富勒烯后的润滑油其润滑性能得到明显提高，磨损程度随着洋葱状富勒烯添加量的增加而降低，其中当添加剂质量分数为0.15％时，磨损程度最低，同基础油润滑下相比分别降低40％和降低磨损面积42％左右，磨损深度75％左右，磨损宽度15％左右。（6）未添加洋葱状富勒烯的基础润滑油的钢片磨斑表面呈现明显的擦伤和粘着迹象：而经添加洋葱状富勒烯的基础润滑油的钢片磨斑表面较为平整光滑，粘着和擦伤显著减轻。其中，含量为0.15％时磨斑表面最为平整光滑，表明当洋葱状富勒烯的添加量为0.15％（质量分数）时，相应的润滑体系的减摩抗磨性能最佳。（7）经分析其润滑机理为在较高的温度载荷下，洋葱状富勒烯粒子能够填充到摩擦副表面中由于摩擦所致的凹陷中，起到微轴承的作用，从而表现出良好的承载和减摩抗磨的性能；随着温度和载荷进一步的提高，洋葱状富勒烯在摩擦金属材料的催化作用下在摩擦副表面反应生成石墨膜，通过石墨膜的自润滑作用从而降低摩擦副之间的磨损摩擦程度，并且所形成的石墨膜可以修复摩擦副表面由于摩擦磨损所产生的凹陷，延长失效时间从而达到减摩和抗磨的作用。