纳米氮化碳油摩擦性能研究.pdf

第 4 期纳米氮化碳油摩擦性能研究张迈1，王彦明1，李萍1，李小飞2，王富兴2（1.河北工程大学，河北 邯郸056000；2.科伦塑业集团股份有限公司，河北 邯郸057250）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 4 期2024 年 4 月Vol.44 No.4Apr.2024摘要：碳纳米材料因其优异的摩擦学性能，在多种工况下被广泛应用作为润滑体系的添加剂。文章旨在探究纳米 g-C3N4的出色润滑性能。以液体石蜡为基础油，对比了纳米 g-C3N4/液体石蜡与酸化纳米 g-C3N4/液体石蜡的摩擦学行为，通过对奥林巴斯光学显微镜的表征分析，发现酸化纳米 g-C3N4/液体石蜡的磨痕宽度和磨斑最小。结果表明，与单一润滑剂相比，纳米 g-C3N4作为润滑体系的添加剂具有良好的润滑效果，而含有改性添加剂的润滑体系效果更佳。关键词：液体石蜡；纳米 g-C3N4；酸化纳米 g-C3N4；磨痕宽度；磨斑基金项目：国家自然科学基金（项目编号：51805140）；中央引导地方资金计划项目（项目编号：206Z1201）；河北省自然科学基金（项目编号：E2018042121、E2020402009）；邯郸市科学技术研究与发展计划项目（项目编号：2211211010）。作者简介：张迈（2002），女，河北邯郸人，主要研究方向：复合材料与工程。通讯作者：王彦明（1985），男，河北石家庄人，主要研究方向：聚合物多孔材料、复合材料、聚合物摩擦学。随着交通运输和其他工业活动的不断增加，大量的能量因克服机械设备运转产生的摩擦而损耗，造成巨大的资源浪费和经济损失咱1暂。因此，研究和应用减少摩擦的技术和方法至关重要。在摩擦学领域的研究主要以润滑介质展开，通过添加不同的添加剂（如纳米材料等）来改善润滑机制和润滑性能可以有效提高润滑介质的性能，从而实现高效的润滑效果咱2暂。添加剂在油润滑的条件下也被称为做摩擦改进剂咱2暂，由于制造和能源消耗领域的需求不断增加，对高性价比和多功能润滑油添加剂的需求引起了广泛的关注。石墨氮化碳咱3暂、石墨烯咱4暂等碳纳米材料具有优异的摩擦学性能，在许多操作条件下被用作润滑剂添加剂。添加石墨氮化碳（g-C3N4）可以作为一种提高摩擦性能的方法咱5暂。g-C3N4片层之间的范德华力很弱，在平面上会呈现出与层间较弱的范德华力相比较强的共价C-N 键，具备较高的面内强度，易于剪切，受剪切作用后片层间易产生滑动从而达到润滑的作用咱6暂。另外 g-C3N4纳米片尺寸小，容易进入摩擦表面间并通过物理吸附的作用形成保护膜，以此达到降低摩擦的目的。将石墨相氮化碳作为润滑添加剂，具备成本低、抗极压、耐高温、耐氧化以及优异的减摩特性咱6暂。因而在摩擦领域中，可用作润滑添加剂，以提高基础油摩擦学性能咱7暂。王睿等咱8暂发现了 g-C3N4具有二维层状纳米结构，其作为添加剂在聚乙二醇 400（PEG400）中具有良好的减摩抗磨性能。Chen 等研究表明聚芳醚砜酮（PPESK）的摩擦系数和磨损率比未添加 g-C3N4时分别降低了 68.9%和97.1%，从而提高了基础油的耐磨性能。这些性能的改善源于 g-C3N4良好的分散性和自润滑性，有利于滑动接触时在接触表面形成连续的转移膜。然而，纳米 g-C3N4材料的缺点是其在基础油中分散性不佳，无法满足润滑剂的要求，因此为提高基础油摩擦学性能需要对 g-C3N4进行改性咱6暂。在 g-C3N4的改性方法中常见到是用酸处理，如硝酸、硫酸等咱5暂。此类强酸具有腐蚀性，可以将块状 g-C3N4剥离成单层或纳米片结构，一般用于改性氮化碳的形貌结构，增强其润滑性能等。扬长兴等发现了油酸表面改性 g-C3N4纳米片咱5暂，在摩擦过程中层状结构诱导的自润滑展现出良好的润滑性能，在摩擦接触界面形成含有铁、氧、氮和碳元素的自修复油膜有效提高了基础油的减摩性能咱9暂。文章探讨了通过高温摩擦磨损试验机和奥林巴斯光学显微镜（OM）等表征方法，对液体石蜡（LP）、纳米g-C3N4/液体石蜡（CN/LP）和酸化纳米 g-C3N4/液体石蜡（A-CN/LP）进行分析并研究其在油摩擦领域的性能。1实验1.1实验药品三聚氰胺（AR，上海阿拉丁试剂有限公司），液体石蜡（LP，密度为 0.8350.855kg/m3，天津市百世化工有限公司），硝酸（AR，烟台市双双化工有限公司）。1.2实验设备及仪器超声波清洗机（JP-020S，深圳市洁盟清洗设备有限公司）、磁力加热搅拌器（TP-3505，杭州米欧仪器有限公司）、冷冻干燥机（HX-12-80B，上海沪析实业有限公司）、电热真空干燥箱（ZKG4080，上海实验仪器厂有限1冶金与材料第 44 卷公司）、电子天平（YP30002，上海佑科仪器仪表有限公司）、管式电阻炉（STG-60-14，河南三特炉业科技有限公司）、台式低速离心机（TDZ5-WS，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）、旋转蒸发仪（RE100-Pro，大龙兴创实验仪器（北京）股份公司）、奥林巴斯光学显微镜（DSX-500，奥林巴斯中国有限公司）、高温摩擦磨损实验机（MMQ-02G，济南益华摩擦学测试技术有限公司）。1.3纳米 g-C3N4液体石蜡的制备取 5g 三聚氰胺放入 50mL 坩埚中，置于管式炉中，以 3/min 的速率升温，升温至 550，保温 4h，冷却至常温后取出，研磨得到 g-C3N4。称取上述样品 1g 于100mL去离子水中，细胞粉碎 4h 后，取上层分散液离心，得到上层浊液，冷冻干燥，得到纳米 g-C3N4。将 0.009g 的纳米 g-C3N4加入 18g（20mL）的液体石蜡中，制得 CN/LP。将 CN/LP 置于超声浴下并搅拌 1h，形成均匀的油体系，以防止添加剂在油中积聚。1.4酸化纳米 g-C3N4液体石蜡的制备取 5g 三聚氰胺放入 50mL 坩埚中，置于管式炉中，以 3/min 的速率升温，升温至 550，保温 4h，冷却至常温后取出，研磨得到 g-C3N4；再取 2g-C3N4加入 50mL浓硝酸，室温下搅拌 4h，然后离心、洗涤至中性，将产物在 60温度下真空烘干 12h。称取上述样品 1g 于100mL 去离子水中，细胞粉碎 4h 后，取上层分散液离心，得到上层浊液，冷冻干燥，得到酸化纳米 g-C3N4。将0.009g 的酸化纳米 g-C3N4加入 18g（20mL）的液体石蜡中，制得 A-CN/LP，同样将 A-CN/LP 置于超声浴下并搅拌 1h。1.5摩擦测试摩擦磨损实验采用型号为 MMQ-02G 的高温摩擦磨损试验机进行，MMQ-02G 试验机以 GCr15 的球、盘摩擦为主。GCr15 钢球直径为 6mm，硬度为 HRC5961。GCr15 钢盘直径为 80mm，钢盘厚度为 8mm，摩痕直径为 15mm，摩擦滑动速度为 200r/min，载荷为 10N，设置时间为 30min。1.5.1摩擦测试方法（1）在摩擦实验前，量取 18g（20mL）纯液体石蜡为第 三 种 样 品，每 个 液 体 石 蜡 复 合 油（LP、CN/LP、A-CN/LP）再次超声 30min。（2）取三个 GCr15 钢盘，将钢盘和钢球用少量丙酮或酒精擦拭干净，并利用夹具安装在摩擦试验机上准备测试。（3）使用滴管分别取少量配置的 LP、CN/LP 与 A-CN/LP 均匀滴于三个钢盘表面，保证钢球滑动轨迹上均匀铺满测试液体。（4）设置摩擦条件，摩擦滑动速度为 200r/min，载荷为 10N，试验时间为 30min，开始测试。每个液体石蜡复合油（LP、CN/LP、A-CN/LP）均重复测试三次。2实验结果及分析2.1油的磨痕奥林巴斯光学显微镜（OM）分析对润滑油体系摩痕奥林巴斯光学显微镜（OM）表征如图 1、图 2 和图 3 所示。其中，LP 的磨痕宽度为644.65滋m，CN/LP 磨痕为 454.268滋m，A-CN/LP 的磨痕为 382.427滋m。对比得出，A-CN/LP 的磨痕宽度最小；LP磨 斑 直 径 457.669滋m，CN/LP 磨 斑 直 径 478.816滋m，A-CN/LP 的磨斑直径 354.478滋m。对比得出，A-CN/LP的磨斑最小。3结论通过对奥林巴斯光学显微镜表征分析，得到三种图 1LP 磨痕奥林巴斯光学显微镜（OM）分析2第 4 期图 3A-CN/LP 磨痕奥林巴斯光学显微镜（OM）表征图 2CN/LP 磨痕奥林巴斯光学显微镜（OM）分析张迈等：纳米氮化碳油摩擦性能研究润滑油测试钢盘上磨痕宽度由大到小依次为：LP 的磨痕宽度、CN/LP 的磨痕宽度、A-CN/LP 的磨痕宽度；三种润滑油测试钢球上磨斑由大到小依次为：LP 的磨斑、CN/LP 的磨斑、A-CN/LP 的磨斑大小。对比得出，在试验载荷 10N 下，A-CN/LP 的磨痕宽度最小，磨斑大小也最小，说明 A-CN/LP 润滑效果优于 LP、CN/LP 的润滑效果，表明经酸处理后的纳米 g-C3N4可以有效增强基础油的减摩能力和耐磨性。参考文献1 王谦之.碳氮化物薄膜的环境摩擦学特性研究 D.南京：南京航空航天大学，2011.2 仲召快.石墨相氮化碳的制备及其润滑性能研究 D.南京：东南大学，2022.3 何曾宝.石墨相氮化碳基纳米复合材料的制备及其摩擦学性能研究 D.镇江：江苏大学，2021.4YUSU，LEGONG，DANDANCHEN.AnInvestigationonTribo原logical Properties and Lubrication Mechanism of GraphiteNanoparticles as Vegetable Based Oil AdditiveJ.Journal ofNanomaterials，2015，2015（Pt.1）：276753-1-276753-7.5 杨长兴，王固霞，郭生伟.油酸改性石墨相氮化碳的制备、表征及摩擦学性能研究 J.材料导报，2023，37（23）：26-32.6Xiaohong Gao，Yizheng Wang，Feibo Li，et al.In-situ construc原tion of CuC3N4 for oil lubricationJ.Materials Today Com原munications，2023，36（106812）：2352-4928.7 韦艳芳.有机酸改性氮化碳的制备及其光催化性能研究D.广州：华南理工大学，2022.8 王睿，糜莉萍，张恒，等.g-C3N4的制备及在PEG400中的摩擦学性能研究 J.润滑与密封，2017，42（6）：83-87.9WorathatS，PharinoU，SriphanS.DevelopmentofFlexibleSemi原conductors Based on g-C3N4/Cu2O P-N Heterojunction for Tri原boelectric Nanogenerator ApplicationJ.INTEGRATED FER原ROELECTRICS，2023，238（1）：13-24.3