本文在充分考察各种纳米金属粉体材料制备方法的基础上,基于等离子体自由弧温度高、活性高、温度分布集中的特点,采用等离子体法制备了纯度高、平均粒度小、粒径分布均匀、松装密度小、团聚少的Ni、Cu、Fe、Zn等多种纳米金属粉体材料(平均粒度约40nm,粒度分布10-100nm,松装密度0.1-1 g/cm-3)。本文不仅对多种纳米金属粉体材料的等离子体制备工艺进行参数优化,而且从粉体质量控制因素(温度梯度)及其内在机理、粉体产量控制因素(氢的抢先分子蒸发)及其内在机理、粉体收集控制因素(纳米粒子在不等温流场中的热泳)及其内在机理等多方面对制备过程进行了系统性、完整性地研究。本文还应用等离子体法制备的纳米Cu粉改性内燃机专用润滑油,达到进口润滑油添加剂的抗磨减摩水平。本文采用等离子体自由弧、强制气流输运、风冷的方式来满足纳米金属粉末生成的温度梯度条件,避免了液氮冷却和等离子体压缩弧的复杂设备要求,大大降低了制粉成本;引入高纯氢气氛成倍地提高了制粉产率;从单因素工艺实验全面探讨了材料蒸气压、冷态总压、氢氩比、电流强度、气流循环强度等工艺参数对粉体产量和质量的影响规律,并在此基础上设计正交试验,最终获得多种纳米金属粉体材料的等离子体制备最佳工艺方案。本文采用压力模型计算出稳定弧光制粉时的气相空间温度在373K以下;从电流密度和电导率角度计算出等离子体电弧场中心温度高达5000-6500K;由此得出弱电离等离子体自由弧的自身温度场即使没有外界强制冷却,在等离子体焰区特征半径(约1.26cm)范围内的温度梯度就可达4787℃/cm,这是电弧等离<WP=6>子体温度场分布高度集中的具体表现,也是纳米金属粉末无须液氮冷却就能生成的本质原因,阐释了等离子体温度场自身的极大温度梯度是金属粉体纳米化的控制机制。本文提出“氢的抢先分子蒸发”机制来解释高纯氢的引入大大提高制粉产率的根本原因。该机制从氢的离解、等离子体阴极射流磁泵作用、氢微气相作为熔融金属分子蒸发载体、氢微气相的逃逸等几个阶段来探讨氢对产率的影响机理,认为氢气泡相当于熔融金属的“分子蒸发单元”,这不仅使得氢微气相内蒸发的单位产率很高,也使有效蒸发面积远远大于阳极熔池表面的蒸发面积,从而大幅提高纳米金属粉体产率;同时,该机制还解释了受冷态总压影响的产率实验数据与熔融金属经典蒸发理论的矛盾之处。本文提出“热泳沉降机制”是纳米粒子不等温气固两相流输运过程的主要控制因素。当粒子从微米尺度下降至100nm时,热泳力大小是重力的548倍,是马格纽斯升力的220倍,热泳力明显占据主导作用;纳米微粒在不等温流场中进行气固两相流输运时,会从重力沉降过渡为热泳沉降;且沉降特性和常规重力沉降正好相反,这是纳米粒子在不等温气固两相流场中与微米粒子的不同之处。该机制解释了纳米金属粉体收集过程中出现的反常问题,为纳米粒子的气流收集设备提供理论依据与借鉴。本文将等离子体法制备的纳米Cu粉用于改性石蜡基系列HVI-50内燃机专用基础油,改性后润滑油的最大无卡咬负荷提高33.3%,长期磨损磨斑直径下降35.9%,达到进口润滑油添加剂的抗磨减摩水平;同时考察了纳米金属粒子在润滑油中的微观磨损机制,解释其可能的作用机理及影响润滑油宏观减摩性能的材料科学因素。本文还将非线形处理手段为主的分形理论与计算机软件设计相结合,开发了一套摩擦粗糙表面轮廓曲线的计算机模拟系统,尝试对摩擦界面用分形理论进行定量化表征,并利用该软件系统计算其分形维数特征值,将宏观性能的改善同某种摩擦微观界面的内禀数值化特征联系起来,为宏观性能的微观解释提供定量的直接证据。