油润滑聚合物 -金属 界面高性能转移膜构筑研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 喻萍 |
| 答辩日期 | 2022-05-27 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 张嘎 |
| 关键词 | 聚合物复合材料，摩擦学性能，边界/贫油润滑，摩擦化学，转移膜 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 其他题名 | 无 |
| 英文摘要 | 聚合物材料由于具有自润滑特性、化学稳定性高和性能可设计性强等特点，在高端装备领域运动机构的摩擦学设计方面发挥着愈加重要的作用。过去20年，人们在聚合物材料摩擦学机理研究方面取得了长足进展。前期研究已表明聚合物-金属界面生成高承载能力、易剪切特性的转移膜可有效避免摩擦副的直接接触，从而显著降低摩擦与磨损，并验证了界面上温度与应力驱动的摩擦物理与化学作用是引发转移膜生长的关键因素。然而，对于服役于边界润滑区间和贫油工况下的运动机构，界面上的润滑介质分子可阻碍材料的转移，吸收热量并降低界面温度，从而显著抑制转移膜的生长。尤其，因缺乏转移膜的有效保护，金属对偶过度磨损，“吃轴”和“吃盘”现象成为湿态环境聚合物-金属配副的共性技术难题。基于以上背景，本研究在聚合物基体中引入功能填料，巧妙利用界面释放功能填料的摩擦物理与化学作用，调控边界/贫油润滑界面转移膜的生长，从而大幅提高了摩擦副的边界润滑效果，并对金属对偶表面起到有效的保护作用。本研究为发展适用于边界/贫油润滑工况的高可靠、长寿命聚合物自润滑材料提供了新思路与新途径。主要内容如下： 1．利用水热法合成了CoAl层状双金属氢氧化物（CoAl LDH）纳米片，并通过物理分散的方式将其均匀分散于环氧树脂（EP）基体中制备了EP纳米复合材料。摩擦学实验表明EP纳米复合材料在边界润滑条件下表现出优异的摩擦学性能。在聚α烯烃（PAO4）基础油润滑条件下，与纯EP相比，LDH增强EP的摩擦系数降低了32%，特征磨损率降低一个数量级。尤其，与纯EP在含有二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）的PAO4润滑条件下相比，LDH增强EP在PAO4基础油润滑下具有更佳的摩擦学性能。转移膜成分和结构分析认为，CoAl LDH中的过渡金属元素Co可能作为催化剂使有机分子脱氢，促使EP或PAO4分子链段发生石墨化并被压实在转移膜中。LDH发生摩擦化学反应生成双金属氧化物（LDO）增强了转移膜的承载能力。本工作提出了通过设计制备高性能聚合物复合材料减少对ZDDP等有害润滑添加剂依赖的新理念。 2．合成了石墨相氮化碳（g-C3N4）纳米片并将其均匀分散于EP基体中制备了EP纳米复合材料，并系统考察了贫油和浸油润滑条件下EP纳米复合材料的摩擦学行为。研究表明g-C3N4纳米片的加入极大地提高了EP在贫油和浸油润滑条件下的摩擦学性能。在极端贫油条件下（5 μL, PAO4），EP基体中仅添加1%的g-C3N4纳米片，其摩擦系数和磨损率分别降低了27%和83%。尤其，与浸油条件下相比，g-C3N4纳米片增强的EP在贫油条件下表现出更优的摩擦学性能。进一步研究表明，贫油工况下g-C3N4纳米片增强的EP材料较常规短切碳纤维（SCF）增强的EP材料具有更佳的摩擦学性能。摩擦界面分析证实金属表面生长了由g-C3N4、EP分子和石墨碳材料组成的转移膜，为贫油润滑界面提供了出色的固体润滑功能。这项工作为发展满足贫油工况的新型聚合物纳米复合材料提供了新思路。 3．系统考察了边界润滑条件下，氟化钙（CaF2）颗粒对聚醚醚酮（PEEK）和SCF、芳纶颗粒（AP）增强PEEK复合材料摩擦学性能的影响。研究表明CaF2颗粒的加入提高了纯PEEK在边界润滑条件下的摩擦学性能，SCF/CaF2/PEEK复合材料摩擦学性能优于AP/CaF2/PEEK复合材料。特别是载荷为200 N时，与PEEK相比，SCF/CaF2/PEEK复合材料的摩擦系数降低48%，耐磨性提高了20倍。界面分析结果表明与PEEK复合材料发生对摩后，摩擦界面上生长了具有纳米结构的转移膜。转移膜中石墨碳、CaF2和其它摩擦化学产物提高了转移膜的承载能力和易剪切性能。该研究成果为解决PEEK基材料在严苛边界润滑条件下的严重摩擦磨损问题奠定了理论基础。 4．考察了贫油条件下，MoS2和纳米Al2O3耦合对PEEK摩擦学性能的影响规律。研究发现，在贫油条件下（仅5 μL PAO4），MoS2与纳米Al2O3具有显著的协同作用，大幅降低了PEEK的摩擦系数和磨损率。在载荷为100 N时，与纯PEEK相比，MoS2/Al2O3/PEEK纳米复合材料摩擦系数和磨损率分别降低57.5%和95.6%（耐磨性提高了24倍）。转移膜透射电镜分析结果证实转移膜中包含MoS2和Al2O3的摩擦化学产物。本研究巧妙利用功能填料间的摩擦化学作用，为贫油润滑界面高性能转移膜的构筑提供了新途径 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/30076]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 喻萍. 油润滑聚合物 -金属 界面高性能转移膜构筑研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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