连续流法调控制备CeO2纳米微粒及在DLC固液复合润滑系统中的摩擦学性能研究

作     者：张欢欢 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张玉娟;张平余

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：CeO2纳米微粒 摩擦改进剂 摩擦学性能 DLC固液复合润滑 协同吸附效应 

摘      要：面对物流、航运、矿山机械领域对柴油发动机的需求不断提高,以及双碳目标对发动机燃油经济性提出的极高要求,类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)固体润滑涂层在发动机零部件的应用和高效减摩润滑油的开发成为提高发动机燃油效率的关键手段。而目前商用减摩剂与DLC不匹配引起的磨损和润滑失效促使开发新型减摩抗磨添加剂成为迫切需求。纳米添加剂由于其优异的减摩抗磨性能和对不同摩擦副材料的普适能力,在发动机润滑油研发领域备受瞩目。CeO纳米添加剂兼具氧化物的高强度和稀土元素的高化学活性而具有优异的抗磨性能,为了促进其在新型节能柴油发动机中的应用,本论文针对CeO纳米添加剂连续生产制备方法,探讨了原料分子结构、反应参数对CeO添加剂结构的调控机制,研究了CeO纳米添加剂与商用有机减摩剂在DLC固液复合润滑系统中的协同吸附、润滑机制,以及在DLC活塞环-缸套摩擦系统的应用性能。主要研究内容和结论如下:(1)连续流法制备CeO纳米微粒的结构调控机制及分散稳定性研究以无机铈盐的有机胺分散液,流经管式炉中的螺旋管,通过原位热分解制得分散性优异的有机胺修饰的CeO纳米添加剂。系统研究了原料的热分解温度、反应温度、投料比对CeO纳米微粒的粒径分布、修饰剂含量等结构参数,及在基础油PAO6中分散稳定性的影响。发现CeO纳米微粒的分散稳定性随着粒径的降低和修饰剂含量的增大而提高,具有低分解温度的铈盐与高分解温度的有机胺匹配可以有效遏制无机核之间的团聚和修饰剂含量的降低。硝酸铈铵(Ce(NH)(NO))与油胺(CHN)在180℃下分解制备出了平均粒径约3 nm,修饰剂含量大于40 wt.%的油胺修饰CeO纳米微粒,分散稳定性与商用高碱值清净剂T106D相当,在PAO6中的最大稳定分散浓度可达到50 wt.%。GCr15钢配副的球盘往复摩擦实验表明,CeO纳米添加剂在PAO6基础油中具有优异的减摩抗磨性能,最佳添加量为0.2 wt.%时,与PAO6相比,摩擦系数降低了43%,磨损率降低了73%。(2)CeO纳米微粒与商用减摩剂在DLC/DLC摩擦配副系统中的摩擦学性能研究将所制备的分散优异的CeO纳米微粒分别与摩擦改进剂二烷基二硫代氨基甲酸钼(Mo DTC)、油酸单油酸酯(GMO)、油酸乙二醇酯(T403B)、苯三唑脂肪酸胺盐(T406E)复配,分别考察了其在DLC/DLC配副上的减摩抗磨性能,并结合石英晶体微天平(QCM-D)探究了添加剂在DLC上的吸附行为与摩擦学性能的关系。摩擦学测试结果表明,CeO纳米微粒对于DLC/DLC摩擦副具有优异减摩抗磨性能,且最佳添加量为0.2 wt.%,相对于基础油PAO6,摩擦系数降低了15%。磨损率降低了50%。当CeO纳米微粒分别与四种商用添加剂复配,其与T406E表现出了突出的协同效应,复配后摩擦系数相比于CeO纳米微粒进一步降低5%,而抗磨能力保持不变。通过对磨损表面的形貌和元素分布分析结果表明,纳米添加剂和复配剂都未与DLC发生摩擦化学反应,同时也没有CeO沉积膜的产生。吸附实验结果表明,CeO纳米微粒在DLC上呈单层吸附,平衡吸附质量随着浓度和团聚粒径的增大而增大,依靠纳米微粒的高承载能力将摩擦副隔离并降低接触面积,从而产生优异的减摩抗磨效应。相比于其他复配组合,CeO纳米微粒与T406E复配在DLC表面可以形成同时具备最大平衡吸附质量和吸附层密度,兼具低剪切强度和高承载能力的粘弹性吸附层,导致复配剂在具有优异抗磨能力的同时,使减摩性能进一步显著提高。(3)CeO纳米微粒与商用减摩剂在GCr15/DLC摩擦配副系统中的摩擦学性能研究将油胺修饰的CeO纳米微粒与有机摩擦改进剂Mo DTC、T406E、T403B、GMO以最佳浓度进行复配,考察其在GCr15/DLC摩擦配副系统中的减摩抗磨性能。摩擦测试结果表明,与DLC/DLC配副系统不同,在GCr15/DLC系统中,CeO与GMO表现出了突出的协同效应,既克服了CeO摩擦膜高摩擦的劣势,又弥补了有机减摩剂承载能力低,或者对DLC产生腐蚀磨损的问题,相比于PAO6、CeO、GMO,摩擦系数分别下降了10%、30%和4%,磨损率分别下降了56%、10%和52%。对GCr15钢球摩擦表面进行扫描、拉曼光谱和XPS分析,结果表明,CeO+T403B和CeO+T406E是CeO的沉积膜机制,引起高摩擦;CeO+Mo DTC是Mo DTC的摩擦化学反应膜机制,引起高磨损。CeO+GMO既没有发生摩擦化学反应也没有CeO纳米微粒沉积膜的产生。吸附结果表明,CeO纳米微粒与GMO在金属表面上发生协同吸附效应,形成了兼具高平衡吸附质量和高吸附层密度的粘弹性吸附层,同时在DLC表面也形成了比较致密的粘弹性吸附层,同时具备低剪切强度和高承载能力,使复配剂在GCr15/DLC配副摩擦系统中兼具优异的减摩抗磨性能。(4)CeO纳米复合剂对柴油发动机低粘度润滑油/新型摩擦副复合润滑系统摩擦学性能的影响将CeO纳米微粒与GMO以最佳配比加入全配方润滑油中,考察了纳米复合剂对柴油发动机新型摩擦副(渗氮、DLC、铸铁)的减摩抗磨能力及全配方润滑油的粘温性能。摩擦学测试结果表明,CeO+GMO的加入使得缸套的磨损率降低了50%左右,克服了Mo DTC对铸铁缸套磨损增大的问题。全润滑区间结果表明,CeO纳米复合剂使得钢球/钢盘和钢球/DLC盘配副的摩擦系数分别降低了约10%和25%。粘温结果表明,CeO纳米复合剂的加入使得柴机油5W20 FE粘度指数提高了约10%,克服了Mo DTC使柴机油粘度增大、粘度指数降低的缺点。因此CeO纳米复合剂有望成为节能型添加剂,进一步提高柴油机的燃油经济性。