纳米氮化碳油摩擦性能研究论文

2024-06-19 11:16:01 来源: 作者:liangnanxi
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。
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
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[1]。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[2]。
添加剂在油润滑的条件下也被称为做摩擦改进剂[2],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[3]、石墨烯[4]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[5]。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[6]。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[6]。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[7]。王睿等[8]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[6]。在g-C3N4的改性方法中常见到是用酸处理,如硝酸、硫酸等[5]。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[5],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[9]。
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0.835~0.855kg/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HRC59~61。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644.65μm,CN/LP磨痕为454.268μm,A-CN/LP的磨痕为382.427μm。对比得出,A-CN/LP的磨痕宽度最小;LP磨斑直径457.669μm,CN/LP磨斑直径478.816μm,A-CN/LP的磨斑直径354.478μm。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
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[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.
[4]YUSU,LE GONG,DANDANCHEN.An Investigation on Tribo-logical Properties and Lubrication Mechanism of Graphite Nanoparticles as Vegetable Based Oil Additive[J].Journal of Nanomaterials,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.
[6]Xiaohong Gao,Yizheng Wang,Feibo Li,et al.In-situ construc-tion of Cu C3N4 for oil lubrication[J].Materials Today Com-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.
[9]Worathat S,PharinoU,SriphanS.Development of Flexible Semi-conductors Based ong-C3N4/Cu2O P-N Heterojunction for Tri-boelectric Nanogenerator Application[J].INTEGRATED FER-ROELECTRICS,2023,238(1):13-24.
