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全球每年摩擦与磨损带来的能量消耗占机械驱动总能量消耗的三分之一,有效的润滑是解决这一问题的关键。伴随着交通运输、航空航天等行业的快速发展,带来了重载、高速、强冲击等苛刻条件下的润滑需求。具有层状晶体结构的固体润滑剂二硫化钼是苛刻条件下润滑的必备选择,但存在钼资源稀缺、易氧化失效的缺点。因此,寻找二硫化钼的替代品是一个重要的课题。从晶体结构特点出发,前期研究工作主要涉及到层状氧化物如层状硅酸钠以及层状磷酸锆。尽管研究已经取得了进展,但不同的物质还存在不同的缺陷,尚需进一步的研究。本论文的研究工作,在前期工作的基础上,研究了层状化合物层状硅酸钠、层状磷酸锆、层状磷酸镁等材料制备、改性的规律,研究了所合成材料作为固体润滑剂在润滑脂中的摩擦学特性。运用单晶结构解析、PXRD、SEM、TG-DSC、FT-IR对层状化合物的晶体结构及理化性质进行了测定和表征。主要研究内容和结论如下:1.通过温和的合成方法(260 - 300℃温度范围内)制备出层状二硅酸钠β-Na2Si205,样品粒径大约为3 - 10 μm,解决了传统高温合成工艺中能耗过大,以及产品中存在烧结玻璃体的问题。利用四球摩擦磨损试验机考察了 β-Na2Si205在锂基润滑脂中的摩擦学性质,结果表明:相同的摩擦磨损试验条件下,β-Na2Si2O5表现出优于二硫化钼的承载、抗磨、减摩能力。其中β-Na2Si205锂基润滑脂的PB值比MoS2高出951 N,长时间润滑实验下,其最大承受载荷为686 N,明显高于二硫化钼的294 N; β-Na2Si205锂基润滑脂最大承受载荷下的磨斑直径是0.46 mm,与基础锂基润滑脂和MoS2锂基润滑脂在294 N下的磨斑直径相比,分别减小了 0.04 mm和0.06 mm;β-Na2Si205锂基润滑脂的摩擦系数在载荷98 - 686 N范围内从0.096显著地减小到0.057。2.鉴于层状硅酸钠较强的吸湿性的问题,在溶剂热体系中寻找晶体结构稳定的无机层状材料成为本文研究的重点。本文在水热合成体系NaF-ZrO - P205 - H20中制备层状磷酸锆材料α-ZrP,产物结晶度和热稳定性较高,形貌为规整正六边形,大小均一约为600 nm。考虑到α-ZrP材料层间氢质子容易被其它金属离子交换,引起层间距或层间力发生变化,进而有可能调控其摩擦学性能。本文通过加压交换法合成了铜、镁、钠离子交换的α-ZrP材料,交换度分别达到93.90%,91.93 %和98.72 %。通过考察离子交换前后α-ZrP材料的摩擦学性质可以发现它们在锂基润滑脂中均表现出良好的固体润滑特性,实验结果表明,添加2.0 wt.% α-ZrP及其不同金属离子交换材料可以显著提升锂基润滑脂的承载能力PB,分别由基础脂的353 N 升至 α-ZrP 的 980N,Cu-α-ZrP 的 1235 N, Mg-α-ZrP 的 1098 N,Nα-α-ZrP的1098 N;与MoS2的549 N相比,优势明显。不同离子(Cu2+、Mg2+、Nα+)交换后的α-ZrP润滑性能呈现差异性,其中Cu-α-ZrP润滑性能最佳。长时间润滑实验下,添加2.0 wt.% Cu-α-ZrP的锂基润滑脂的承载能力可以达到784 N,加入α-ZrP,Mg-α-ZrP和Nα-α-ZrP锂基润滑脂的承载能力仅为 588N。3.针对铜离子交换α-层状磷酸锆传统离子交换制备方法中效率低的问题,本文在水热合成体系NaF - CuO - ZrO - P205 - H20中直接制备出Cu-α-ZrP。产品结晶度高,形貌规整,交换度达97.52 %。通过元素分析和H+离子交换实验证明铜离子处于Cu-α-ZrP晶体中可交换位上。利用从头计算法,采用样品粉末X射线衍射数据解析了 Cu-α-ZrP的晶体结构,确定其最佳分子式为Cu(OH)2Zr(HP04)2·2H2O。利用四球摩擦磨损实验评价了Cu-α-ZrP作为锂基润滑脂添加剂的摩擦学性能,实验结果表明相同试验工况条件下,其承载抗磨能力优于二硫化钼,与α-层状磷酸锆相比,更容易在摩擦表面粘附形成紧密的保护膜,重载下润滑性质更具有优势。4.不断选择资源丰富的元素,来获得廉价材料,是产品工程的追求目标。在草酸/氯化胆碱离子液体热合成体系中成功制备出一种层状磷酸镁,发现二乙胺(DEA)可以调节体系的碱性,有效调控层状磷酸镁的粒径,当添加量适当,DEA/Mg = 0.62时,可以得到层状磷酸镁单晶。单晶结构解析确定其最佳分子式为Mg4(P2O7)2·6H20,证明其为一种在层板和层间均含有镁离子的新型镁离子交换型层状磷酸镁材料。5.本文在Nα20 - MgO - P205 - H20水热体系中,氢氧化钠添加量配比为Nα20/Mg0(摩尔比)=0.6-1.0范围内,成功制备出镁离子交换型层状磷酸镁Mg4(P207)2·6H2O。利用四球摩擦磨损实验评价了 Mg4(P207)2·6H20作为锂基润滑脂添加剂的摩擦学性能,实验结果表明其具有优异的承载能力,四球摩擦磨损实验结果表明,添加3.0wt.%Mg4(P2O7)2·6H2O润滑脂的承载力PB是1098 N;在长时间润滑实验下,最高承受载荷是882 N。在抗磨减摩能力方面明显优于相同实验条件下的添加MoS2润滑脂。MoS2润滑脂的 WSD 值是 0.46 mm,Mg4(P207)2·6H20 润滑脂的 WSD 值是 0.34 mm。Mg4(P207)2 6H20的晶体结构在摩擦过程中保持相对的稳定。