等离子体耦合球磨制备石墨烯基纳米复合润滑添加剂及其摩擦学性能

It is a useful means to control the abnormal wear of low sulfur fuel diesel engine with the addition of graphene-based nanocomposite lubricant additives. In this proposal, using expanded graphite, iron and calcium metaborate as the raw materials, oleic acid modified and alkylated multifunctional graphene-based nanocomposites would be prepared for lubricant additives by the dielectric barrier discharge plasma assisted ball milling with oleic acid and octadecylamine. By focusing on the promotion law of different physical characteristics and modification effect of different modifier through adjusting the strength of plasma and mechanical energy, we are going to clarify the synthesis kinetics and modification mechanism of graphene-based nanocomposites during plasma assisted ball milling and to define the coupling effect between plasma and ball-milling. It also aims to grasp the formulation rule of low-alkali marine lubricant with graphene-based nanocomposite additives and explain the multi-phase synergistic anti-friction/anti-wear and self-repairing mechanism of graphene, nano-Fe and nano-borate for the marine engineering materials. The tribology behavior during diesel engine operation and the effect on performance of diesel engine with graphene-based nanocomposite additives will be studied. As a result, we hope it can bottom the development of the graphene-based nanocomposite lubricant additives for marine diesel engine.

石墨烯基纳米复合润滑添加剂可以改善船舶柴油机燃用低硫燃油带来的异常磨损。本项目选用膨胀石墨、金属Fe和偏硼酸钙为原料，以油酸和十八烷基胺为表面修饰剂，利用介质阻挡放电等离子体辅助球磨工艺，制备油酸改性和烷基化多功能石墨烯基纳米复合润滑添加剂。通过调控等离子体与球磨机械能的强度，研究材料的不同物理特性对石墨烯形成的促进规律，以及不同表面改性剂对石墨烯复合材料的修饰效果，揭示等离子体辅助球磨制备石墨烯基纳米复合材料的动力学特性和表面修饰机制，并明确等离子体与球磨的耦合作用机理；研究石墨烯基纳米复合添加剂在低碱值船用润滑油中的适配规律，阐明石墨烯-纳米Fe-纳米硼酸盐对船机材料的多相协同减摩抗磨及自修复机制；掌握石墨烯基纳米复合润滑添加剂在燃用低硫燃油船舶柴油机运行中的摩擦学行为特征及对柴油机综合性能的影响。本项目将为推动石墨烯基纳米复合润滑添加剂在船舶柴油机上的实际应用奠定科学依据和材料基础。

石墨烯超薄的片层结构使其极易进入摩擦接触面，是一种性能优异的润滑添加剂。由于石墨烯层片之间难免存在缺陷和晶粒边界，将石墨烯与其它组分复合可以进一步提高其在较大载荷下的减摩抗磨性能。采用等离子体辅助球磨方法制备石墨烯基纳米复合材料，可以设计与控制纳米粒子的成分和粒径、优化与石墨烯的配比及复合相的结构形态，进而充分发挥石墨烯与纳米粒子之间的协同减摩抗磨效应，适合燃用低硫燃油船舶柴油机的润滑需求。.本项目的研究目标和研究内容是：揭示在等离子体耦合球磨作用下，不同物理特性的组元对形成石墨烯的促进机制，以及合成石墨烯基纳米复合结构的动力学行为。同时研究多种有机物与石墨烯及其纳米复合材料之间的反应特性，探明等离子体耦合球磨作用过程中的表面修饰机制，分析石墨烯基纳米复合添加剂在低碱值船用润滑油中的适配分散性。基于低碱值船用润滑油，开展石墨烯基纳米复合润滑添加剂的摩擦学测试，阐明石墨烯、纳米金属、纳米硼酸盐对船机材料的多相协同减摩抗磨及自修复机制。.通过对本项目的研究，我们成功开发了一种适合于工业化应用的等离子体辅助球磨制备石墨烯基纳米复合润滑添加剂材料的新技术，利用等离子体耦合球磨作用可以一步法完成粉体的细化及表面改性，大大提高了石墨烯基纳米复合润滑剂的制备效率。更重要的是，通过等离子体辅助球磨高效激活润滑剂粉体活性，使其在摩擦过程中容易沉积在金属表面形成防护膜，表现出优异的减摩抗磨及自修复性能。在此项目的资助下，共发表8篇高水平论文，获取4项国家发明专利授权，为推动石墨烯基纳米复合润滑添加剂在燃用低硫燃油船舶柴油机上的实际应用提供可靠的科学与材料基础。