BN-C-硅油高温润滑复合胶体制备及其性能研究

论文摘要

基于固体润滑材料的物化特性和键能理论以及硅油的高温稳定性创新出的BN-C-硅油复合胶体,拓宽了多元润滑体复合理论和硅油的工业应用领域。本文在回顾胶体科学发展概况的同时,综述了胶体中分散相超微/纳米颗粒的复合方法及其在润滑领域的应用现状。在此基础上,提出了高温超微/纳米胶体润滑新概念,并以硅油为基,包覆BN-C固体润滑剂制备出高温润滑复合胶体。基于BN和C具有相似的物化特性、晶体结构和润滑互补特性,本文探讨了两者之间的复合匹配性,并根据固体与分子经验电子理论（EET）对BN及BN-C复合物的价电子结构进行了分析。研究表明:BN-C复合物的层间键能（0.25673374 kJ/mol）小于BN的层间键能（0.33129492kJ/mol）,如果两者复合,其复合物的层间滑移更为容易,可获得低摩擦系数的复合固体润滑颗粒。为了实现超微/纳米BN-C颗粒的复合,本文对行星式高能球磨机进行了改进设计,增加了偏心机构,从而提高了碰撞能量。通过对该高能球磨机球磨过程中磨球的动力学和运动学分析,研究了被研磨颗粒的受力、变形以及其研磨效率,得出研磨效率与公转速度、公转/自转比例系数、偏心距和磨球直径等之间的关系,为超微/纳米胶粒的制备工艺参数的设定提供了依据。为了提高BN-C超微/纳米胶粒的分散稳定性,使其能稳定地悬浮于硅油中,本文基于胶体理论,加入非离子性表面活性剂,探讨了其组分和配方及其对BN-C超微/纳米胶粒的修饰和包覆。建立了胶粒尺寸与其沉降速度的关系模型,模拟得出当BN-C胶粒的粒径小于284.7nm时,该复合胶粒可以稳定悬浮于硅油中,为BN-C-硅油复合胶体的制备和分散稳定性提供了重要理论依据。文中采用SEM和EDS分析了超微/纳米胶粒的粒度分布状况和组成元素。并通过FTIR和XPS对复合胶粒所含元素的成键状态进行了分析研究,发现采用文中所述的制备工艺可使BN-C形成B、C、N三种元素原子级结合的化合物。XRD对复合胶粒的结晶状态分析说明形成的新化合物为与h-BN晶体结构相似的六方化合物。结合前面所述基于EET理论进行的滑移理论分析,该研究为润滑机理的探讨提供了依据。采用XP-5型销盘式摩擦磨损试验机研究了本文所制备的高温复合胶体的润滑性能,实验证实了无论在常温还是高温下,该胶体都具有优良的润滑性能。结合文中所做的微观分析,探讨了胶体的高温润滑机理。最后以发汗金属陶瓷烧结体为典型对象,研究和验证该复合胶体的浸润性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 胶体科学研究现状
• 1.2.1 胶体科学发展概况
• 1.2.2 胶粒的特性
• 1.2.3 胶体中超微/纳米颗粒复合方法及特点
• 1.2.4 纳米微粒在摩擦学领域的应用现状
• 1.3 本论文研究的目的及意义
• 1.4 课题来源和研究的内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究拟开展的内容及解决的问题
• 1.5 本文的研究技术路线及写作构架
• 1.5.1 本研究采用的技术路线
• 1.5.2 本文的写作构架
• 第二章 BN-C胶体分散相颗粒的复合理论
• 2.1 引言
• 2.2 BN与C（石墨）复合匹配性分析
• 2.2.1 BN与C的物化特性
• 2.2.2 BN与C的晶体特性
• 2.2.3 BN与C的润滑特性
• 2.2.4 BN与C的复合匹配性
• 2.3 基于EET理论的BN-C价电子结构计算与滑移分析
• 2.3.1 EET理论简介及其应用
• 2.3.2 EET理论的基本假设
• 2.3.3 EET价电子结构计算方法——键距差（BLD）法
• 2.3.4 BN-C价电子结构计算与滑移性分析
• 2.4 小结
• 第三章 BN-C-硅油胶体制备工艺
• 3.1 引言
• 3.2 行星式高能球磨机改进设计
• 3.2.1 行星球磨机中研磨体动力学和运动学分析
• 3.2.2 研磨体运动的脱离点轨迹
• 3.2.3 偏心距e对研磨效率的影响
• 3.3 球磨过程中粉末变形分析
• 3.4 球磨过程中颗粒的复合机理
• 3.5 小结
• 第四章 胶体的分散方法及机理
• 4.1 引言
• 4.2 团聚与分散
• 4.2.1 团聚
• 4.2.2 分散
• 4.3 胶体的动力学性质
• 4.3.1 扩散作用及布朗运动
• 4.3.2 胶体粒子的沉降平衡
• 4.3.3 胶粒沉降的临界粒径
• 4.4 小结
• 第五章 胶体的结构形貌
• 5.1 引言
• 5.2 胶粒形貌
• 5.3 胶粒结构
• 5.3.1 傅立叶变换红外光谱分析
• 5.3.2 X射线光电子能谱分析
• 5.3.3 X射线衍射分析
• 5.4 小结
• 第六章 胶体润滑性能及其机理研究
• 6.1 润滑性能测试试验设备
• 6.2 常温润滑性能测试
• 6.2.1 试验条件
• 6.2.2 胶体与纯硅油的室温润滑性比较
• 6.3 高温润滑性能测试
• 6.3.1 试验条件
• 6.3.2 胶体与纯硅油的高温润滑性比较
• 6.4 载荷对胶体润滑性能的影响
• 6.4.1 试验条件
• 6.4.2 不同载荷下胶体与纯硅油的润滑性能比较
• 6.5 粗糙度对胶体摩擦系数的影响
• 6.5.1 试验条件
• 6.5.2 不同粗糙度下BN-C-硅油胶体的润滑性能比较
• 6.6 胶体的抗磨性能
• 6.6.1 测量方法
• 6.6.2 抗磨性能测定
• 6.7 润滑机理分析
• 6.7.1 胶粒对摩擦表面的填充和修复
• 6.7.2 BN-C胶粒结构对胶体润滑性能的提高作用
• 6.7.3 胶粒对高温下润滑膜破损率的降低作用
• 6.8 小结
• 第七章 胶体浸润性研究
• 7.1 引言
• 7.2 胶体浸渍动力学
• 7.3 浸渍后摩擦学性能比较
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 创新点
• 8.3 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士在读期间发表的论文