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近年来研究发现,添加具有润滑特性某些纳米颗粒可在很大程度改善润滑油摩擦学特性。以MoS2、WS2为代表的过渡族金属硫化物因其独特的层状结构,层内以很强的共价键结合,层间以较弱的范德华力结合,是典型的固体润滑材料,且自然界中有大量矿藏,因而在摩擦领域得以广泛研究。事实上WSe2具有与MoS2、WS2相似的结构,而对于摩擦特性人们研究甚少。同时在固体润滑剂的研究中,还发现多种固体润滑剂的合理配伍比单纯一种性能更好,这称为固体润滑剂的协同效应,但对于其机理的研究却很少。本文将晶体缺陷理论与纳米材料的制备相结合,设计一种用Mo掺杂WSe2纳米材料并对其摩擦学性能及减摩耐磨机理进行探讨。
主要研究工作和成果:
(1)以单质W粉和Se粉为主要反应原料,掺杂一定比例的Mo粉,在Ar气氛保护环境下球磨混合,密封在反应釜内,在高温箱式炉中加热,通过固相反应合成了大量的Mo掺杂WSe2纳米片。对所合成的纳米材料分别用TEM、SEM、EDS、XRD等方法进行了结构、形貌和成分的测试、表征。结果表明生成了纯度较高、形貌均匀且厚度在50nm以下的片层结构的WSe2纳米材料,Mo掺杂使衍射峰明显宽化,晶粒更为细小。
(2)对Mo掺杂WSe2纳米材料的生长过程及影响其结晶的环境因素,如Mo掺杂量、保温温度、保温时间及升/降温速度等反应条件进行了讨论,并对Mo掺杂WSe2纳米材料生长机制给出了合理解释。
(3)将Mo掺杂WSe2与普通WSe2纳米材料以不同浓度超声分散到粘度悬殊的基础油HVI750和CKD220中,在UMT-2摩擦试验机通过球-盘副分析比较它们的摩擦学特性;并在四球摩擦试验机上考察它们的最大无卡咬负荷(PB)、摩擦系数和耐磨性能。结果表明,两者均可以明显提高基础油的减摩抗磨性能且Mo掺杂WSe2纳米材料的摩擦性能较普通WSe2纳米材料更好。添加1.2wt.%Mo掺杂WSe2的基础油CKD220可将其耐磨性、减摩性及极压性能分别提高46%、28%和70%。
(4)对磨痕表面三维轮廓仪及电子显微镜(SEM)形貌、摩擦副接触点法向坐标值及摩擦偶件间油膜电子接触电阻进行分析,初步探讨Mo掺杂WSe2纳米材料在基础油HVI750中的摩擦磨损机理。其优异的摩擦性能可能归结于WSe2一维纳米材料独特的结构、填充条件修复机制和润滑膜机制。