不同粒徑納米石墨在鋰基脂中的抗磨減摩性能研究

程嘉興，謝　鳳，李　斌

（空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇徐州　221000）

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不同粒徑納米石墨在鋰基脂中的抗磨減摩性能研究

程嘉興，謝鳳，李斌

（空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇徐州221000）

摘要：將100 nm、35 nm粒徑的納米石墨添加到自制的基礎(chǔ)鋰基脂中，得到不同納米石墨濃度含量的樣脂，利用四球機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)考察其抗磨減摩性能。結(jié)果表明納米石墨能夠明顯提升高負(fù)荷下基礎(chǔ)脂的抗磨性能，35 nm納米石墨效果更佳；減摩性方面，隨著負(fù)荷的增加，較長(zhǎng)的粒徑和較大的添加濃度，能夠有效減小摩擦系數(shù)提升減摩性能。

關(guān)鍵詞：納米石墨；鋰基脂；抗磨減摩；研究

納米石墨作為一種新型固體潤(rùn)滑劑［1，2］近年來(lái)受到了研究人員的廣泛關(guān)注，由于石墨特殊的層狀結(jié)構(gòu)以及其所具有的納米尺寸效應(yīng)，使得其擁有良好的摩擦學(xué)性能，從文獻(xiàn)［3-5］報(bào)道中可以看出，納米石墨作為潤(rùn)滑添加劑在潤(rùn)滑油中展現(xiàn)出了優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，研究人員就納米石墨在潤(rùn)滑油中的表面修飾、分散穩(wěn)定、減摩抗磨性能以及潤(rùn)滑機(jī)理等進(jìn)行了深入的研究，如何有效解決納米石墨在基礎(chǔ)油中長(zhǎng)時(shí)間后產(chǎn)生聚結(jié)團(tuán)聚一直是制約納米石墨應(yīng)用的主要原因。而潤(rùn)滑脂具有良好的黏附性、密封性，是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的潤(rùn)滑劑，將納米石墨添加到固態(tài)的潤(rùn)滑脂中則不用考慮在油中產(chǎn)生的聚結(jié)團(tuán)聚問(wèn)題，只要在初期將納米石墨均勻分散到基礎(chǔ)脂中即可，但是目前就納米石墨在潤(rùn)滑脂中的應(yīng)用研究卻鮮有報(bào)道；所以本實(shí)驗(yàn)選用100 nm石墨、35 nm石墨作為研究對(duì)象，研究其按照不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加到鋰基脂中的減摩抗磨性能。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

DZTW調(diào)溫電熱套，上?？坪銓?shí)業(yè)發(fā)展有限公司；BILON-500超聲波材料乳化分散器，上海比朗儀器有限公司生產(chǎn)；MQ-10P型四球試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠；顯微鏡；超聲波清洗機(jī)，上海比朗儀器有限公司生產(chǎn)；燒杯；溫度計(jì)；玻璃棒。

1.2實(shí)驗(yàn)試劑

100nm石墨和35 nm石墨均購(gòu)于北京德科島金納米有限公司；為了避免成品脂中添加劑對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，采用實(shí)驗(yàn)室自制的12-羥基硬脂酸鋰脂。

1.3實(shí)驗(yàn)方案

（1）根據(jù)前期研究的結(jié)果，設(shè)定電磁加熱套溫度200℃將鋰基脂加熱至熔融狀態(tài)，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米石墨并用玻璃棒進(jìn)行攪拌使石墨和鋰基脂初步混合，再將超聲波分散儀的發(fā)聲桿插入熔融狀態(tài)下潤(rùn)滑脂樣品中央，超聲功率選擇500 W，超聲功率比選在30%，超聲時(shí)間為2s，超聲間隙為1s，超聲分散時(shí)間30 min，在分散時(shí)定期用玻璃棒對(duì)潤(rùn)滑脂進(jìn)行攪拌，最終制得含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、3%、5%的100 nm石墨鋰基脂以及含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、3%、5%的35 nm石墨鋰基脂。

（2）在四球機(jī)上進(jìn)行轉(zhuǎn)速1 450 r/min，載荷分別為294 N、392 N、490 N、588 N、686 N的30 min長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)，考察基礎(chǔ)脂以及含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米石墨樣脂的抗磨性能；與此同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中每分鐘記錄一次摩擦力的大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)載荷計(jì)算摩擦系數(shù)，考察基礎(chǔ)脂和樣脂的減摩性能。

2　結(jié)果與分析

2.1抗磨性能

在294 N、392 N、490 N、588 N和686 N負(fù)荷下，對(duì)各脂樣進(jìn)行四球機(jī)長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別記錄磨斑直徑?；A(chǔ)脂和含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)100m石墨鋰基脂的四球機(jī)抗磨實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1），基礎(chǔ)脂和含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)35 nm石墨鋰基脂的四球機(jī)抗磨實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表2）。

表1　基礎(chǔ)脂和含100 nm石墨鋰基脂經(jīng)四球機(jī)抗磨實(shí)驗(yàn)后的鋼球磨斑（WSD，mm）

表2　基礎(chǔ)脂和含35 nm石墨鋰基脂經(jīng)四球機(jī)抗磨實(shí)驗(yàn)后的鋼球磨斑（WSD，mm）

由表1可知，100 nm石墨添加到鋰基脂中以后，在中低載荷下基本沒(méi)有明顯提升抗磨性能甚至還起到了相反的作用，僅在588 N這一高負(fù)荷下顯示出了明顯的抗磨效果。這是由于在潤(rùn)滑脂中，當(dāng)負(fù)荷低摩擦強(qiáng)度時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱較少，潤(rùn)滑脂流動(dòng)性較差，此時(shí)主要是依靠油膜進(jìn)行潤(rùn)滑，而納米石墨添加以后反而容易團(tuán)聚在油膜間形成顆粒，降低基礎(chǔ)脂原有的潤(rùn)滑作用；當(dāng)負(fù)荷高摩擦劇烈時(shí)油膜發(fā)生破裂，此時(shí)添加的納米石墨粒子直接作用于摩擦副之間起到隔離作用，并且石墨的自身層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間以較弱的范德華力連接，容易發(fā)生層間滑動(dòng)起到一定的潤(rùn)滑作用，并且隨著石墨濃度的增大抗磨效果相對(duì)明顯。

由表2可知，35 nm石墨添加到鋰基脂中以后，在低負(fù)荷時(shí)抗磨性能并不理想，但在高負(fù)荷條件下有明顯的抗磨效果。相對(duì)于含100 nm石墨的鋰基脂，35 nm石墨脂樣在高載荷下的抗磨效果整體優(yōu)于含100 nm石墨鋰基脂，這是由于粒徑越小的粒子在相同的分散條件下分散的越細(xì)致，更容易富集到磨損處起到自修復(fù)作用，并且小粒徑形成的潤(rùn)滑膜更為緊密，更利于阻隔摩擦副接觸，起到更好的潤(rùn)滑作用［6］。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在686 N的極高負(fù)荷下只有1%35 nm石墨添加量顯示出一定的抗磨效果，這是由于該負(fù)荷下納米石墨承受壓強(qiáng)更大，超過(guò)本身的屈服強(qiáng)度使得其潤(rùn)滑性能減弱，所以無(wú)論是較大的粒徑比還是較高的添加濃度，都會(huì)因?yàn)槭Ｗ映霈F(xiàn)團(tuán)聚而影響抗磨性能的發(fā)揮。

2.2減摩性能

在四球機(jī)抗磨實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)記錄摩擦力大小，將所得數(shù)據(jù)按照摩擦系數(shù)計(jì)算公式轉(zhuǎn)換為摩擦系數(shù)，結(jié)果（見(jiàn)圖1～圖8）。

從圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，在294 N負(fù)荷下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的石墨添加量所表現(xiàn)的減摩效果最佳，且35 nm石墨添加后鋰基脂的減摩性能要優(yōu)于100 nm石墨的效果。在低負(fù)荷時(shí)，1%含量的石墨量太少，難以深入摩擦副間起到潤(rùn)滑作用；而5%含量的石墨因?yàn)樗{米粒子較多，容易發(fā)生團(tuán)聚形成磨粒破壞表面油膜；3%含量的石墨既能產(chǎn)生良好的潤(rùn)滑效果同時(shí)還不至于添加量過(guò)大產(chǎn)生團(tuán)聚，因此減摩效果相對(duì)最好；在低負(fù)荷條件下納米石墨粒徑越小，分散就相對(duì)更細(xì)致不容易發(fā)生團(tuán)聚破壞表面油膜。所以在低負(fù)荷工況下含有3%35 nm的納米石墨添加后減摩效果最好。

圖1　294 N條件下基礎(chǔ)脂和含1%、3%、5%100 nm石墨鋰基脂的摩擦系數(shù)

圖2　294 N條件下基礎(chǔ)脂和含1%、3%、5%35 nm石墨鋰基脂的摩擦系數(shù)

圖3　392 N條件下基礎(chǔ)脂和含1%、3%、5%100 nm石墨鋰基脂的摩擦系數(shù)

從圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，在392 N條件下，含3%100 nm石墨鋰基脂摩擦系數(shù)較小且比較穩(wěn)定，在摩擦初期，潤(rùn)滑脂流動(dòng)性差，含有100 nm石墨的鋰基脂減摩性能均較差，隨著摩擦的持續(xù)進(jìn)行，摩擦溫度升高潤(rùn)滑脂流動(dòng)性增強(qiáng)，納米石墨粒子的減摩性能逐步發(fā)揮出作用。在10 min～16 min，基礎(chǔ)脂和含1%、5%100 nm石墨的鋰基脂均出現(xiàn)較大卡咬，而含3%100 nm石墨鋰基脂的摩擦系數(shù)明顯下降，說(shuō)明這一階段處于潤(rùn)滑脂熔融的臨界狀態(tài)，鋰基脂形成的油膜逐步破裂，納米石墨粒子起到主要潤(rùn)滑作用，但是濃度過(guò)高和過(guò)低都會(huì)影響潤(rùn)滑性能，只有3%是最佳的潤(rùn)滑性能。而35 nm石墨添加后效果不如100 nm石墨的效果，這主要是因?yàn)樵谶@個(gè)負(fù)荷下35 nm石墨粒徑過(guò)小，潤(rùn)滑脂熔融流動(dòng)后小粒徑的石墨很難有效在摩擦副之間起到潤(rùn)滑作用。

圖4　392 N條件下基礎(chǔ)脂和含1%、3%、5%35 nm石墨鋰基脂的摩擦系數(shù)

圖5　490 N條件下基礎(chǔ)脂和含1%、3%、5%100 nm石墨鋰基脂的摩擦系數(shù)

圖6　490 N條件下基礎(chǔ)脂和含1%、3%、5%35 nm石墨鋰基脂的摩擦系數(shù)

從圖5、圖6能看出，在490 N負(fù)荷下，含有100 nm石墨以及含有35 nm石墨的鋰基脂減摩性能和二者在392 N負(fù)荷下的整體趨勢(shì)相同，這主要是392 N和490 N都屬于中等負(fù)荷，潤(rùn)滑脂的工作環(huán)境和工況參數(shù)較為接近，納米石墨產(chǎn)生潤(rùn)滑作用的機(jī)理也較為相似。

從圖7、圖8可以看出，在588 N條件下，基礎(chǔ)脂劇烈卡咬無(wú)法工作；低濃度石墨含量的鋰基脂也出現(xiàn)嚴(yán)重卡咬，基本無(wú)法繼續(xù)工作，含5%100 nm石墨鋰基脂則表現(xiàn)出了優(yōu)秀的減摩效果，起到良好的潤(rùn)滑作用；對(duì)于添加35 nm石墨的潤(rùn)滑脂而言，只有5%添加量的潤(rùn)滑脂展現(xiàn)出了一定的潤(rùn)滑性能，但是與添加有5%100 nm的鋰基脂相比，效果較差。這主要是由于在588 N這一高負(fù)荷下，油膜在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生破裂，潤(rùn)滑主要依靠添加的納米石墨粒子的層間滑動(dòng)作用和修復(fù)作用，如果含量較低或者所添加的石墨粒子粒徑較小，在高負(fù)荷下單位面積石墨承受的壓強(qiáng)增大，超過(guò)納米石墨的屈服強(qiáng)度，就難以發(fā)揮層間滑動(dòng)作用無(wú)法為摩擦副提供穩(wěn)定的潤(rùn)滑。

圖7　588 N條件下含1%、3%、5%100 nm石墨鋰基脂的摩擦系數(shù)

圖8　588 N條件下含1%、3%、5%35 nm石墨鋰基脂的摩擦系數(shù)

3　結(jié)論

（1）納米石墨添加到鋰基脂中后，能夠顯著提升基礎(chǔ)脂在極高負(fù)荷下的抗磨性能，其中添加35 nm粒徑石墨抗磨效果更佳。

（2）納米石墨添加到鋰基脂中能產(chǎn)生一定的減摩性能，在低負(fù)荷條件下35 nm石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%時(shí)效果最佳，在中等負(fù)荷條件下100 nm石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%時(shí)效果最佳，在高負(fù)荷條件下100 nm質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%時(shí)效果最佳；這主要是隨著負(fù)荷的增大油膜發(fā)生破裂，此時(shí)主要依靠納米石墨發(fā)揮潤(rùn)滑作用，較低的石墨濃度和較小的石墨粒徑都難以產(chǎn)生有效潤(rùn)滑。

參考文獻(xiàn)：

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The research of different particle size of Nano-graphite's performance of anti-wear and friction reducing in lithium grease

CHENG Jiaxing，XIE Feng，LI Bin
（Air Force Service College，Xuzhou Jiangsu 221000，China）

Abstract:Putting the 100 nm nano-graphite and 35 nm nano-graphite into the homemade lithium grease separately. Getting the based greases with different concentration of different particle size of nano-graphite. The performance of anti-wear and friction reducing has been investigated by four-ball wear test. The results show that the nano-graphite can promote the based grease's performance of anti-wear obviously in high load. The effect of 35 nm nanographite is better. In the aspect of friction reducing. With load increase the longer particle size and the bigger concentration of nano-graphite in based grease can reduce the friction coefficient and promote the performance of friction reducing more effectively.

Key words：Nano-graphite；lithium grease；anti-wear and friction reducing；research

中圖分類(lèi)號(hào)：TE624.82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5285（2016）06-0150-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.06.037

*收稿日期：2016－05-24

作者簡(jiǎn)介：程嘉興，男（1992-），漢族，四川眉山人，空軍勤務(wù)學(xué)院在讀碩士研究生，主要從事航空油料應(yīng)用技術(shù)的研究工作，郵箱：1534878394@qq.com。