现代设备维修技术—纳米减摩与自修复技术.ppt

纳米减摩与自修复技术纳米减摩与自修复技术 纳米铜添加纳米铜添加剂剂第八组组员：邱朝伟，游广文，李石祥，白兆明，李蒙蒙，覃玉香、杨甜、杨超、王丽、陈海峰、黄建、李杭谕提 纲4 42 2传统的减摩添加剂传统的减摩添加剂1 1润滑油纳米添加剂的减摩自润滑油纳米添加剂的减摩自修复行为修复行为3 35 5通过实验进行检验通过实验进行检验纳米减摩自修复添加剂纳米减摩自修复添加剂技术的作用机理技术的作用机理纳米减摩自修复添加剂技术纳米减摩自修复添加剂技术应用的原因应用的原因纳米减摩自修复添加剂技术应纳米减摩自修复添加剂技术应用的原因用的原因 摩擦磨损是普遍存在的自然现象，磨损是材料与设备失效的三种最主要形式之一，尽管润滑是降低摩擦、减小磨损的最有效技术，但磨损仍不可避免。磨损一般起始于早期的轻度表面微损伤，而后发展成为严重的表面损伤。因此，维修工作者一直在努力寻找行之有效的方法，避免早期磨损表面的轻度微损伤或防止轻度微损伤转变为严重的表面损伤。断裂、腐蚀纳米减摩自修复添加剂技术应纳米减摩自修复添加剂技术应用的原因用的原因 表面微损伤原位动态自修复技术是近年发展的一种新型技术，与传统的对失效部件进行静态修复模式有着本质的区别，它是通过对磨损表面微损伤的不拆卸原位动态修复，达到预防或抑制部件的失效的目的。该技术已成为未来维修的主要发展方向之一，也是维修领域的创新性前沿研究内容，特别是纳米材料的发展也为研制先进的表面微损伤原位动态自修复材料和技术提供了新的途径。传统的减摩添加剂传统的减摩添加剂 传统的减摩添加剂主要有两大类:一类是化学(活性)减摩添加剂，该类添加剂大部分具有极性或含有活性元素的油溶性有机化合物。该类添加剂在摩擦过程中，与摩擦表面发生摩擦化学反应，生成摩擦化学保护膜，从而起到抗磨减摩作用。该类添加剂的缺点是消耗性和耐高温性能较差。传统的减摩添加剂传统的减摩添加剂 另一类是机械减摩，这类添加剂是非油溶性的悬浮于油中的固体微粒。该类添加剂能在摩擦过程中，沉积并填平凹凸不平的磨损表面，阻碍部件的直接接触而起到减少摩擦磨损作用。该类添加剂的主要缺点是摩擦系数较高，固体微粒的分散性能差。维修表面工程研究中心在上述减摩添加剂研究的基础上，利用先进的纳米技术，研制了纳米减摩与自修复润滑油添加剂。传统的减摩添加剂传统的减摩添加剂 减摩与自修复是指在摩擦过程中，由于润滑介质及环境的摩擦物理、化学作用，对磨损表面具有一定补偿的“修复”现象。减摩与自修复型添加剂的作用机理与常见的活性添加剂不同，它不是以牺牲添加剂和表面物质为条件，而是在摩擦条件下，在摩擦表面上沉积、结晶、铺展成膜，使磨损得到一定补偿，具有一定减摩与自修复作用。纳米减摩自修复添加剂技术的纳米减摩自修复添加剂技术的作用机理作用机理 目前，自修复型添加剂的作用机理大致可分为两类，一类是铺展成膜理论:添加剂分子与金属表面具有亲和作用，在摩擦过程中表现出极性，并扩散到摩擦微观表层，形成一层具有减摩与自修复作用的铺展膜;另一类是共晶成膜理论:即在边界、混合润滑状态下，局部的摩擦高温促使添加剂微粒与磨损微粒化合成微小的共晶微球，在表面形成具有滚动性润滑功能的保护层膜，填充摩擦表面微观沟谷，改善摩擦表面的润滑性能，以降低摩擦阻力，延长使用寿命纳米减摩自修复添加剂技术的纳米减摩自修复添加剂技术的作用机理作用机理 减摩、耐磨、自修复问题是精密摩擦副需解决的关键问题,润滑油添加剂技术是延长零件摩擦副寿命的重要手段,也是国外表面工程的重要发展方向。纳米减摩自修复添加剂技术是一项新型的原位自修复技术。当含有纳米颗粒(如铜粒)的复合添加剂被加入润滑油后,纳米颗粒随润滑油分散于各个摩擦副接触表面,在一定温度、压力、摩擦力作用下,摩擦副表面产生剧烈摩擦和塑性变形,添加剂中的纳米颗粒就会在摩擦表面沉积,并与摩擦表面作用。纳米减摩自修复添加剂技术的纳米减摩自修复添加剂技术的作用机理作用机理 减摩、耐磨、自修复问题是精密摩擦副需解决的关键问题,润滑油添加剂技术是延长零件摩擦副寿命的重要手段,也是国外表面工程的重要发展方向。纳米减摩自修复添加剂技术是一项新型的原位自修复技术。当含有纳米颗粒(如铜粒)的复合添加剂被加入润滑油后,纳米颗粒随润滑油分散于各个摩擦副接触表面,在一定温度、压力、摩擦力作用下,摩擦副表面产生剧烈摩擦和塑性变形,添加剂中的纳米颗粒就会在摩擦表面沉积,并与摩擦表面作用。润滑油纳米添加剂的减摩自修润滑油纳米添加剂的减摩自修复行为复行为润滑油纳米添加剂的减摩自修复行为润滑油纳米添加剂的减摩自修复行为是指:润滑油中加入纳米添加剂,能够使摩擦副在运动过程中,通过摩擦化学反应,在摩擦表面形成一层具有抗磨减摩作用的液态或固态保护膜,从而使摩擦副在运动过程中得到修复。润滑油纳米减摩自修复添加剂的种类主要有:纳米层状无机物、纳米硼酸盐、纳米软金属及纳米金属氧化物、氢氧化物等,其中,软金属纳米铜在润滑油中具有良好的摩擦学性能和自修复性能。实验检验实验检验-实验分析实验分析1.1 纳米铜的制备纳米铜的制备采用KBH4液相还原铜盐的方法制备纳米铜。称取36 gKOH溶解于蒸馏水中形成KOH溶液,称取4 gKBH4溶于KOH溶液制成KBH4的碱溶液。再称取30 g燥干的CuSO4,将其溶解于蒸馏水中形成CuSO4溶液,然后称取8 gEDTA（EDTA 是一种重要的络合剂）溶于CuSO4溶液中形成络合液。在电动搅拌器的强力搅拌条件下,将KBH4碱溶液用滴管快速滴入CuSO4的络合液中,溶液中有紫红色的物质生成。将紫红色的物质洗涤至中性放在玛瑙罐中,再加入表面活性剂,采用高能球磨机进行表面处理。实验检验实验检验-实验分析实验分析1.2 性能测试性能测试采用MM-200型摩擦磨损试验机进行实验,摩擦副为45钢环/块试样,其硬度为210 HB（布氏硬度）,上试样为具有4个不同粗糙度表面的块状,其尺寸为40mmx40 mmx10 mm,下试样为40 mm的环,2者中心均钻16 mm的孔。块状试样4个不同粗糙度的表面分别为:原始加工表面、200目砂纸加工表面、600目砂纸加工表面、以及抛光机抛光表面。润滑材料有2种:一种是基础润滑油650SN,另一种是添加了0115%纳米铜的润滑油650SN。实验自室温开始,载荷400 N,时间100 min。实验检验实验检验-实验分析实验分析1.3 表征方法表征方法采用H-800型透射电子显微镜(TEM)对纳米铜添加剂的表面形貌和电子衍射花样进行分析;采用DP-12型OLYMPUS光学显微镜对磨损表面进行形貌分析;采用带有X射线能谱(EDS)的QUANTA-200型扫描电子显微镜(SEM)对磨损表面进行能谱分析。TEM:透射电子显微镜（英语：Transmission electron microscope，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。实验检验实验检验-实验分析实验分析1 1、纳米铜添加剂的特、纳米铜添加剂的特征将表面处理过的紫红征将表面处理过的紫红色物质分布在分子栅上色物质分布在分子栅上,采用采用TEMTEM进行形貌和电进行形貌和电子衍射分析子衍射分析,分析结果如图所示。由图可知分析结果如图所示。由图可知,4,4个清晰的个清晰的衍射圆环由里向外分别对应面心立方结构铜衍射圆环由里向外分别对应面心立方结构铜(铜堆积的方铜堆积的方式式)的的(111)(111)、(200)(200)、(220)(220)、(311),(311),说明紫红色物质为说明紫红色物质为纯净的铜纯净的铜,该纯净铜为多晶体。该纯净铜为多晶体。实验检验实验检验-实验分析实验分析由图可知由图可知,所制备的铜为球所制备的铜为球形、大小均匀、粒径约为形、大小均匀、粒径约为20nm20nm的颗粒的颗粒,该颗粒分散性该颗粒分散性能良好能良好,无团聚。说明表面活无团聚。说明表面活性剂联合球磨处理的方法性剂联合球磨处理的方法,可以在纳米铜颗粒表面形成一可以在纳米铜颗粒表面形成一层有效的分子层层有效的分子层,它不但提高了纳米铜颗粒的抗氧化性能它不但提高了纳米铜颗粒的抗氧化性能,同时防止了纳米铜颗粒的团聚。同时防止了纳米铜颗粒的团聚。实验检验实验检验-实验结果实验结果 2.2 2.2 抗磨减摩性能抗磨减摩性能同基础润滑油同基础润滑油650SN650SN相比相比,纳米铜添加剂对不同粗糙度纳米铜添加剂对不同粗糙度表面抗磨减摩性能的优化效果表面抗磨减摩性能的优化效果,以摩擦因数与时间的关以摩擦因数与时间的关系曲线来表示系曲线来表示,如图所示。由图摩擦因数随着时间的变如图所示。由图摩擦因数随着时间的变化曲线可知化曲线可知,在摩擦的初期随时间的变化摩擦因数波动在摩擦的初期随时间的变化摩擦因数波动较大较大,随着时间的延长摩擦因数逐渐趋于平滑随着时间的延长摩擦因数逐渐趋于平滑,在摩擦的在摩擦的后期后期,在基础润滑油在基础润滑油650SN650SN的作用下的作用下,抛光摩擦表面所表抛光摩擦表面所表现出的摩擦因数最低现出的摩擦因数最低(0.073),(0.073),实验检验实验检验-实验结果实验结果实验检验实验检验-实验结果实验结果 而200目砂纸处理的表面所表现出的摩擦因数最高(0.083),600目砂纸处理的表面其摩擦因数(0.077)低于原始加工面(0.079)。实验检验实验检验-实验结果实验结果实验检验实验检验-实验结果实验结果 加入纳米铜添加剂,不论摩擦表面的粗糙度如何,摩擦因数都得到了明显的降低。摩擦表面的粗糙度不同,摩擦因数降低的程度也不同。对于抛光表面,纳米铜的加入使摩擦因数降低了24%;对于原始加工面、200目砂纸和600目砂纸处理的表面,摩擦因数降低幅度相差不大,在17%左右。由此可知,纳米铜添加剂具有良好的抗磨减摩性能,对于光滑的摩擦表面,其减摩抗磨性能更为显著。实验检验实验检验-实验结果实验结果实验检验实验检验-实验结果实验结果实验检验实验检验-实验结果实验结果 采用光学显微镜对不同粗糙度的磨损表面进行分析,分析结果如图所示。由图可以看出,在650SN润滑条件下,不同粗糙度的磨损表面表现出不同程度的擦伤现象。在原始加工面和200目砂纸加工的表面,擦伤状况较为严重,在局部地区出现了较为显著的犁沟,说明在摩擦过程中,有较大的磨屑进入到了磨损表面,从而出现了较为严重的粘着现象。实验检验实验检验-实验结果实验结果 随着表面粗糙度的降低,虽然这种擦伤的宽度和深度都有所减小,但擦伤现象仍然很明显。润滑油中加入纳米铜添加剂,无论磨损表面的粗糙度如何,它们表面的平整度都得到了改善,磨损表面初始的凹坑、沟槽、裂纹等缺陷得到了修复,尤其是对于光滑的加工表面,使磨损表面变得平整光滑。这说明纳米铜添加剂具有较好的自修复性能,它能够使摩擦副在摩擦过程中得到较好的修复,从而延长摩擦副的使用寿命,这种自修复效果对于光滑的摩擦表面效果更为突出。实验检验实验检验-实验结果实验结果实验检验实验检验-实验结果实验结果 由图还可能看出,纳米铜的加入,在磨痕表面沉积有黄色的物质,沉积的黄色物质不存在空洞、裂纹等缺陷,且与机体表面结合良好,特别是在抛光的表面,黄色物质容易形成连续的膜。实验检验实验检验-实验结果实验结果 对沉积的黄色物质进行EDS分析,分析结果如图所示。由图可知,润滑油中添加了纳米铜添加剂,在摩擦过程中铜元素随机地分布在磨损的表面,并能够在磨损表面形成连续的或不连续的纳米化铜修复膜。该修复膜是一种高弹性、较低硬度的软膜,能够防止磨损表面微凸体的直接接触,减少高载时的粘着磨损和颗粒磨损,使纳米铜添加剂在润滑油中实验检验实验检验-实验结果实验结果实验检验实验检验-实验结果实验结果1、采用KBH4液相还原法制备的纳米铜颗粒,在球磨分散过程中加入表面活性剂,能够成为分散性能稳定的、颗粒粒度在20 nm的纯净的纳米铜添加剂。实验检验实验检验-实验结果实验结果2、同基础润滑油650SN相比,纳米铜添加剂的加入,对于不同粗糙度的磨损表面均表现出良好的抗磨减摩性能,特别是对于光滑的摩擦表面,如果抗磨减摩性能以摩擦因数来表示,能够使摩擦因数降低24%。实验检验实验检验-实验结果实验结果3)润滑油中的纳米铜添加剂,在摩擦过程中随机地分布在磨损表面,形成一层具有较高弹性和较低硬度的修复膜,该修复膜防止了磨损表面微凸体的直接接触,减少了粘着磨损和颗粒磨损,使纳米铜添加剂在润滑油中表现出良好的抗磨减摩和修复性能。由于纳米铜添加剂在光滑的摩擦表面比粗糙的摩擦表面易形成自修复膜,因此,纳米铜添加剂对于光滑的摩擦表面,其减摩自修复性能更为理想。纳米减摩与自修复技术纳米减摩与自修复技术 纳米铜添加纳米铜添加剂剂