Cu、Ni金属及Cu-Ni合金纳米颗粒润滑油添加剂的制备及其摩擦学行为研究

In order to improve the oxidation resistance in air and the dispersion stability in the lubricant oil for the Cu, Ni and Cu-Ni nanoparticles prepared by the arc plasma method, this project put forwards to the research on the surface modification of the nanoparticles and the dispersion stability in the lubricant oil. At first, the effect of the surfactants on the dispersion stability of the nanoparticles in the lubricant oil is investigated, and the action relationships of the surfactants and the nanoparticles are clarified with emphasis. Second, the tribological behaviors of the surface modification of the nanoparticles as additive in lubricating oils are deeply and systematically studied. The relations of the active elements from the surfactants, the micro-structures features of the nanoparticles and the formation of the metallic layer at the wear scar on the tribological properties under various test conditions are investigated, and the mechanism of the anti-wear properties and the self-reparing effect of the wear surface are clarified. Finally, the theoretical basis to the design and preparation of the surface modified nanoparticles as additive in lubricating oils for the engineer application are established.

将采用约束弧等离子体法制备的Cu、Ni金属及Cu-Ni合金纳米颗粒通过表面修饰解决纳米颗粒易氧化、分散性差的问题，考察表面修饰对纳米颗粒在润滑油中分散性的影响，揭示表面修饰剂与纳米颗粒作用的机制及规律；深入系统研究表面修饰的纳米颗粒作为润滑油添加剂的摩擦学行为，考察摩擦过程中修饰剂中活性元素以及纳米颗粒与摩擦表面组织结构、运动条件、润滑材料/介质共同作用下的摩擦学行为规律，研究其在摩擦过程中与摩擦副所形成的合金或固熔体的作用规律，阐明纳米颗粒作为润滑油添加剂对磨损表面的自修复机理，建立面向应用过程的表面修饰金属纳米颗粒的设计与制备理论。

润滑油是工业的血液，而纳米添加剂是润滑油的精髓，实验室制备纳米材料的方法限制了润滑油的应用，因此目前的研究只能作为理论基础研究。为了更好地满足人们对纳米材料的发展需求，需要开展性能优良、产率高的纳米材料制备方法的研究。本项目通过采用宏量制备技术制备出尺寸小、产量大、可工业化生产的纳米Cu、Ni、Cu-Ni合金颗粒作为润滑油抗磨剂，这种润滑油抗磨剂相转变温度较低、延展性好、抗腐蚀性强，相较于传统润滑油添加剂具有不可比拟的优点。.纳米Cu润滑油添加剂在PAO6基础油中添加量为千分之一时摩擦学性能最优，摩擦系数下降了27.11%；磨损率下降了88.75%，并且减摩抗磨效果随载荷的增加而增加；在发动机成品润滑油10W-40CD和10W-40CF-4中，所得纳米Cu润滑油摩擦学性能与在PAO6中基本一致，当Cu的添加量为千分之一时，相比于纯的10W-40CD润滑油磨损率降低了52.7%，并且，在高载荷392N-490N下，千分之一Cu纳米颗粒添加量体系显著提高了10W-40CD润滑油的磨损率，392N，441N，490N下分别提高了54.0%，43.1%，45.8%；与纯的10W-40CF-4成品润滑油相比，平均摩擦系数和平均磨斑直径分别减少了40.6%和20.0%，具有良好的减摩抗磨效果，同样，在高载荷392N-490N下，千分之一Cu纳米颗粒添加量的润滑油显著降低了10W-40CF-4润滑油的磨损率，392N，441N，490N下分别提高了59.0%，42.8%，45.1%。这说明Cu纳米颗粒在较宽的高承载范围内表现出优良的抗磨性能。选取表面修饰剂改性Cu纳米颗粒，结果表明Cu纳米颗粒与油酸复配效果更好。纳米Ni润滑油添加剂在PAO6基础油中添加量为千分之五时摩擦学性能最优，平均摩擦系数和平均磨斑直径相比于纯的PAO6基础油分别降低了17.32%和17.53%；选取表面修饰剂改性Ni纳米颗粒，结果表明Ni纳米颗粒与油酸复配效果好。Cu-Ni合金纳米润滑油添加剂在PAO6基础油中添加量为千分之五时摩擦学性能最好，平均摩擦系数和平均磨斑直径值相比于PAO6基础油分别下降了32.99%、13.95%，此时，Cu、Ni比例为6：4时摩擦性能最优。因此，本项目研究表明金属纳米颗粒在润滑油添加剂领域具有广阔的应用前景，并且更适用于重载/重装车辆或机械使用。