基于纳米流体流变特性的润滑剂粘度调控方法与机制研究

With the growing complexity of the modern industrial machinery and their corresponding severe working condition, it has been the urgent need of liquid lubricants’ technology development that the effective regulation of their viscosity and keeping the sustained lubrication along with mechanical shearing. It is the key for excellent liquid lubricating systems that their viscosities can automatically match the working condition of the friction pair. Based on it, nanofluids are introduced into the liquid lubrication area. And a series of the typical high-stability nanofluids composed of base oils can be prepared. Their rheological properties and rules, such as viscosity-increasing and shear-thinning behaviors, will be systematically studied under the different working temperatures and mechanical models. It can be obtained that the controlling of the lubricating nanofluids’ viscosities and their adaptive behaviors through adjusting their feature parameters, these nanoparticles’ types, morphologies, sizes, surfaces, contents and so on. And it could be also detected that the inherent correlations among the feature parameters, the viscosity of adaptive control, and the properties of anti-wear and reduced friction of these new-type lubricants. The combination between the new preparation technology of nanomaterials and the traditional lubrication will afford an amazing improvement for lubricants rheology and their regulatory technique.

随着现在工业机械设备运行工况的日益复杂化、苛刻化，有效调节润滑剂的粘度及粘温粘压特质并在机械剪切作用下持续保持有效润滑，是液体润滑技术的必然趋势和发展方向。根据摩擦副运行工况条件，匹配具有恰当粘度的润滑剂是液体润滑体系性能优化的关键。本课题从发展润滑剂粘度调控新方法的角度出发，将纳米流体引入液体润滑研究领域，拟制备系列化以典型润滑基础油为分散介质的高稳定性纳米流体，研究其在模拟工况下粘度增加、剪切稀化等流变学行为，获得基于纳米润滑流体制备技术实现润滑剂粘度高效调控、体系粘度自适应性的方法学原理，阐述分散介质、纳米添加剂种类、尺寸、表面状态、添加量等结构参数对流体粘度调控、粘度自适应特性的影响关系，揭示纳米润滑流体的体系参数-粘度自适应性-减摩抗磨之间的关联性规律。本课题通过纳米材料制备科学的新进展与传统润滑科学的交叉，对丰富润滑剂流变学内涵及设计发展粘度可调控的液体润滑剂具有科学意义。

在基金支持下，建立以基础油为分散介质的高稳定性纳米流体（二氧化硅、磷碳非金属材料、二硫化钼/钨及其碳复合材料等）的多样化制备方法和体系稳定（表面修饰剂、表面接枝、高能球磨法、溶剂热法、原位制备等）调控手段；设计制备了基于典型润滑基础油（PAG、PAO、植物基础油、PFPE等）的系列化高稳定性纳米流体；系统研究了分散介质种类、分散固体颗粒种类、形状、大小、表面状态及含量等结构组成参数对所形成纳米流体粘度调控、粘度自适应特性的影响。研究发现，随着胶体粒子浓度的增加纳米流体会从牛顿流体转变为非牛顿流体，且纳米颗粒的粒径越小这种转变越明显。含有较小颗粒的纳米流体表现出更强大的结构强度并表现出较好的抗剪切能力。由于聚集体结构和布朗运动的双重影响，该类纳米流体的粘度表现出热响应行为。本研究工作的开展证实了通过引入高浓度无机纳米粒子可调控润滑油的粘度并开拓了一种可替代现有粘度改进剂的选择。同时开展了该系列纳米润滑流体的摩擦学行为研究工作。结果表明：体系稳定性好的纳米流体在一定浓度下均会体现出良好的减摩抗磨特性，其中硫化物系列纳米流体其高温下优异的摩擦学特性尤为突出。通过调整纳米颗粒的粒度及其分布能够明显改善纳米润滑流体在不同润滑条件下的摩擦学性能：低频工况下，小尺寸纳米材料的润滑流体表现出较优异的减摩性能；高频工况下，较大尺寸纳米材料的润滑流体则表现出更好的减摩抗磨性能。边界润滑条件下的摩擦学性能取决于保护膜的强度和延展性，保护膜强度在低频下起着至关重要的作用，而在高频条件下延展性变得更加重要。此外，利用尺寸复配的方法为设计具有较好减摩耐磨性能的材料提供了可能。在弹流润滑状态下，纳米颗粒沉积保护膜的力学性能被削弱，而含纳米颗粒润滑油的油膜厚度和流动特征成为决定摩擦学性能主导因素。