碳纳米管基250 cSt粘度工业矿物油的摩擦学性能分析

抽象的

研究了多壁碳纳米管基矿物油优异的抗磨性能和极压性能。制备了含有不同比例的碳纳米管和石墨的不同样品。根据ASTM G99和ASTM D-2783标准对试样进行抗磨和承载能力测试。在四球试验机中通过载荷测试后，用扫描电子显微镜(SEM)对摩擦表面进行了观察。磨损试验结果表明，与纯矿物油相比，多壁纳米管矿物油的磨损降低了70-75%。此外，还观察到多壁碳纳米管矿物油的承载能力比纯矿物油提高了20%。通过对石墨基和纳米管基矿物油的抗磨性能和承载性能的对比研究，发现石墨基矿物油的抗磨性能较MWNT基矿物油低。因此，这一发现将有助于开发新的纳米颗粒润滑剂。

1.介绍

润滑是摩擦学领域的一个重要概念。随着现代技术的进步，工艺装置的生产率提高了。研究人员正试图避免发生在配合体之间的摩擦磨损，例如齿轮。齿轮是任何工业中最重要的机械元素，因此齿轮的润滑是高度关注的。矿物油因其低廉的价格和易于获得而闻名于世。工业齿轮矿物油含有添加剂，有时手动添加石墨以改善润滑性能。石墨的层状结构具有参与润滑的滑移面，因此被用作固体润滑剂。但是石墨也有它自己的缺点。作为固体，石墨也会磨损母体表面。许多类型的添加剂，如二硫化钼、磷、硫、氮和氯化合物已经配制并添加到基础矿物油中，以提高其抗磨(AW)和极压(EP)性能。

纳米粒子领域的最新发展吸引了研究人员的关键应用。新开发的纳米颗粒具有比大颗粒更好的机械和化学性能。碳纳米管(MWNT)就是其中之一，它以优异的机械和化学性能吸引了研究人员的注意。碳纳米管是由一位著名的研究者饭岛在1991年发现的，并在许多关键的应用中找到了它们的位置。Mang和Dresel [1]调查了使用抗磨和极压添加剂是必要的，以便在经历严重的应力和强力时减少机器部件之间的磨损。Iijima [2]发现了由于其优异的性能而引起了研究人员的碳纳米管。Mamalis等人。［3.]研究了碳纳米管物理性质中的柔韧性。Curasu等人[4]研究了SWMWNTs的减摩性能和优异的AW/EP性能，得到了最佳浓度为0.5 wt% SWMWNTs。洪等人[5]发现MWNT润滑脂不同于更常见的石墨材料，后者多年来一直被普遍用作固体润滑脂添加剂。随着纳米管质量和纯度的提高，碳纳米管润滑脂的性能会得到显著提高。马奎斯和奇班特[6研究了MWNT被发现可大大提高许多传热流体的导热系数，例如矿物和合成油，水，水/乙二醇混合物和其他商业传热液如防冻液。Wang等人。［7得出结论，当将纳米晶作为润滑剂添加剂用于锂基润滑脂中，可以提高锂基润滑脂的耐磨性、承载能力和抗磨性能，获得的最佳浓度为1 wt%左右。Ji等[8观察到,纳米颗粒作为锂基润滑脂的添加剂，可显著提高其抗磨性能、减摩性能、承载能力和极压性能。最佳浓度为5%。Vakiki-Nezhaad和Dorany [9在添加单壁碳纳米管的情况下，在润滑剂的情况下，研究了运动粘度和粘度指数的增加32.94％。Hernándezbattez等。［10]研究了分散在paa6油中不同浓度的纳米粒子的抗磨性能，考察了不同纳米粒子的摩擦学性能。其他各种纳米颗粒如LaF_3.［11、碳纳米洋葱[12和氧化铜纳米颗粒[13]。

碳纳米管用于工业齿轮油的研究报道甚少。研究了工业矿物油的抗磨性能和极压性能。试验已经按照ASTM G 99和ASTM D 2783标准进行。分析了5种不同添加剂浓度的试样的磨损和承载能力。碳纳米管(MWNT)基润滑剂的性能见表1．

石墨被添加到矿物油中，因为它是工业中最常用的固体润滑剂。已经观察到，与石墨基矿物油相比，MWNT基润滑剂的化学物理性质有轻微的增加。碳纳米管是不可燃的。燃点是指燃油产生的油烟刚好足以产生燃点的情况。对于连续燃烧，即燃点，连续的蒸汽形成是必要的。由于碳纳米管是不可燃的，因此当碳纳米管浓度较高时，需要更高的温度来持续燃烧石油。这可能是随着纳米管浓度的增加，燃点增加的原因。

2.实验的细节

2．1．材料

2．1．1．基础油

商业可用的工业齿轮矿物油粘度250 cSt，从印度钦奈的润滑油经销商采购，选择，因为它通常用于许多加工厂的封闭齿轮箱。

2．1．2．添加剂

多壁碳纳米管如图所示1作为一种添加剂，用于与经典添加剂(从印度金奈当地供应商购买的石墨)比较摩擦学性能。MWNTs已从廉价管道公司商业购买。

2.2。纳米磺润滑剂的制备

观察发现，多壁碳纳米管在矿物油中分散良好，但有时会发生团聚现象。为了获得稳定的润滑剂更长的时间，可以在混合其他纳米添加剂的矿物油时混合表面活性剂。在本工作中，通过超声和人原始化得到稳定的润滑剂。本工作中没有使用表面活性剂。数字2显示了不同浓度的多壁碳纳米管分散在矿物油中的样品。

2.3。极压测试

2.3.1。四球测试仪

四球测试仪用于评估润滑剂的极压（EP）性能。Tribosystem由三个固定球组成，固定在球罐中，该球罐压在压力下固定在夹头的第四球上。顶球根据测试标准以定义的速度旋转。负载均匀地分布在三个球触摸第四球的三个点上。锅里填充润滑剂。驱动主轴的旋转导致摩擦扭矩产生在下球上的瘢痕。使用的测试球直径为12.7毫米和粗糙度= 0.016 mm，采用AISI E 52100钢。试验标准按照ASTM D-2783执行。测试是在班加罗尔的M/s Ducom进行的，使用四球测试仪(型号为。TR 30 L)。

2．4．磨损试验

2.4.1。磁盘测试

在120 N负载和0.26 m/s滑动速度下，在5±0.2 mL润滑油存在的情况下，EN24钢销对EN31钢盘进行销盘测试。采用直径10 mm，长度25 mm，硬度88-89 HRB的钢钉。本实验的转盘硬度为60 HRC。测试是在印度班加罗尔的M/s Ducom进行的，使用的是pin-on-disk设备。TR 20)。

2．5．扫描电镜分析

使用最大分辨率为3nm的现场排放检查（FEI）扫描电子显微镜研究了摩擦表面的形态。SEM分析是在纳米技术研究中心，SRM大学，钦奈，印度，使用高分辨率扫描电子显微镜进行了分析（型号。

2．6．结果和讨论

2.6.1。四球试验结果

为了研究MWNT在上述条件下的行为，在相同条件下比较了5种样品:基础矿物油，添加MWNT的基础矿物油，三种不同浓度(0.1、0.5和0.6 wt%)的基础矿物油，以及添加石墨的基础矿物油。四球测试结果见表2研究了每个试件的承载能力。

从表中可以看出2和图3.与含碳纳米管和石墨的试样相比，基础矿物油的通道载荷和焊缝载荷都要小。由于通过载荷和焊接载荷的值是相同的，这并不意味着所有的试样具有相同的效率。通过比较不同添加剂试样的刀痕直径、闪光温度参数、摩擦扭矩和摩擦系数，研究了最有效的润滑剂。

2.6.2。疤痕直径

这些伤痕是球在彼此接触的情况下以非常高的速度旋转时形成的。疤痕直径越小，承载能力越高。四种添加剂添加样品的疤痕直径如表所示3.和图4．

虽然石墨和碳纳米管是碳的同素异形体，但碳纳米管的物理性能优于石墨。由于碳纳米管的弹性模量远高于石墨，因此碳纳米管能够承受比石墨更高的载荷。因此，与碳纳米管相比，添加石墨的试样具有更大的疤痕直径。从图4可以调查它随着MWNT浓度的增加而降低瘢痕直径，但在增加MWNT浓度时观察到趋势的增加。这可能是由于纳米颗粒的附聚。母金属可能已经吸收了纳米颗粒，可以在化学/物理上吸收，并且纳米颗粒的浓度中的任何过量可能导致颗粒的聚集，这可能增加了润滑剂膜变得不稳定的流体的阻力和内阻并导致金属与金属摩擦，因此瘢痕直径较高。

2.6.3。闪光温度参数

闪光温度参数(FTP)是一个数字，用来表示润滑剂在给定条件下失效的临界闪光温度。FTP值越高，说明润滑膜破裂的可能性越小: 在哪里负载(） 和是刀疤(mm) [14]。

从表格4和图5可以看出，FTP值越高，薄膜越稳定。如图所示5矿物油中添加0.5% MWNT的FTP值最佳。因此，0.5%的MWNT比其他样品更稳定，因为在0.5%的MWNT下，纳米颗粒没有发生团聚。在这里形成的润滑膜是稳定的，因此没有发生金属对金属的摩擦，因此产生的疤痕也很小。

2.6.4。摩擦转矩

摩擦力矩与方向力矩相反，因为当球在旋转运动中接触时，它们之间存在摩擦。当在球罐中加入润滑剂时，它会在接触的球之间形成一层薄膜，从而降低摩擦系数，从而减少摩擦扭矩。润滑膜的厚度取决于润滑剂的性能。如果膜厚高，则摩擦扭矩低，反之亦然。表中给出了四个添加添加剂试件的摩擦力矩5．因此，从图中可以看出6当纳米管加入油样时，摩擦扭矩减小，但由于纳米管的聚集，摩擦扭矩有增大的趋势。

2.6.5。摩擦系数

摩擦系数在决定通过运动部件的传输效率中起着重要作用，在运动部件中，较小的阻力有助于提高效率。因此，在润滑方面，摩擦系数越小越好。摩擦系数的计算公式如下: 在哪里为摩擦力矩(Nm)，是负荷(N)，和为距离m。

从表中可以看出6和图7， MWNT基矿物油的摩擦系数远小于石墨基矿物油。如前所述，观察到的趋势是增加的。由此可以看出，MWNT的团聚是一个需要解决的严重问题。

2.6.6。磁盘测试

润滑剂的特性是降低磨损率，增加承载能力。为了测试磨损率，在上述条件下使用销钉盘装置测试试样。数据9和10显示磨损结果。使用表格中的不同润滑剂发生了磨损7．

从表格7和图8，可以观察到，在基于MWNT的矿物油的情况下磨损远小于纯油和石墨油的油。因此，MWNT作为更好的固体润滑剂，而不是石墨。

2.7。扫描电镜分析

通过扫描电子（制造：量子Feg）显微镜分析了四球测试仪的摩擦表面的形态，如图所示11．

从图11可以推断，在矿物油和矿物油+ 0.5%石墨样品中，由于金属对金属摩擦产生的热量更高，因为在图中观察到白色层11（a）和11 (e)．由此可见，在矿物油和矿物油+ 0.5%石墨的情况下，润滑膜的稳定性不太好。矿物油+ 0.1% MWNT和矿物油+ 0.6% MWNT的润滑膜更稳定;因此，与添加基础油和石墨的试样相比，白层的形成更低，如图所示11．矿物油+ 0.5% MWNT成像研究了热影响区较小的形成。因此，0.5%的碳纳米管可以被认为是碳纳米管的最佳用量。如果样品中不含MWNT，则在很大程度上观察到粗糙的表面，这可能是由于润滑膜失效导致金属间摩擦而发生的。进一步加入多壁碳纳米管会导致多壁碳纳米管团聚，增加摩擦阻力，导致润滑膜失效，产生如图所示的微裂纹11 (e)．

摩擦还原性能和抗磨性均取决于MWNT的分散性。由于巨大的宽高比和MWNT的小直径，在MWNT之间存在强大的范德华吸引，这导致MWNT捆扎。因此，必须采取适当的超声处理以克服MWNT的凝聚。

2.8。结论

从本研究的结果可以得出结论，多壁碳纳米管是比常用的石墨更有效的添加剂。纳米粒子的加入提高了润滑油的粘度、粘度指数、闪点、燃点等性能。纳米润滑剂的承载能力和抗磨性能是润滑剂的重要参数，与常规润滑剂相比，纳米润滑剂的承载能力和抗磨性能更高。存在0.5% wt MWNT的最佳浓度，该浓度下的摩擦系数最小。结果表明，碳纳米管的加入提高了齿轮油的抗磨性能和承载能力，但浓度的增加导致了纳米粒子的聚集和沉淀，导致摩擦表面的损伤，从而降低了齿轮油的润滑性能。这也可能是由于当在润滑剂中加入较低浓度的纳米颗粒时，滑动表面之间就会产生第三体滚动效应，而在较大浓度时，纳米颗粒相互作用，从而增加摩擦。因此，确定合适的浓度以获得更好的性能是一个非常重要的问题。

利益冲突

作者宣布没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

作者非常感谢Helen Annal Therese博士和她的团队，印度金奈SRM大学纳米技术研究中心，感谢他们在纳米润滑剂制备过程中的支持。

参考文献

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