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印楝油的摩擦学性能有和没有石墨烯微片采用四球试验机
抽象
研究了石墨烯纳米板(GNPs)作为neem油抗焊添加剂在极压条件下的摩擦磨损性能。研究了neem油与GNPs不同负载量对摩擦磨损性能的影响。实验结果表明,1%的GNPs在neem油中的摩擦系数最小,磨痕直径较光滑。根据美国材料试验学会(ASTM)标准,在有GNPs和无GNPs的neem油上进行了极压试验。极压试验结果表明,与纯印楝油相比,在0.5wt%的GNPs下,印楝油的咬合负荷提高了27.8%。磨损钢球表面的光学显微镜显示了GNPs改性neem油中的凹坑形成和楔形切削刃的形成。
一。介绍
机器部件的摩擦和磨损特性是正在深入研究一个显著的研究领域。的润滑剂,除了在汽车发动机中使用,发现在气动回路,食品加工机械,飞机,液压机和液压千斤顶[其必要性1个–三]。经营状况,其润滑剂暴露使然其品位和保质期。有很多谁合作,以提高基于生物油作润滑剂的性能并降低机械零件的磨损量[研究员4个,5个]。已经进行了不断的努力发展技术,避免对环境的不良影响[6个]. 矿物油的生物降解率约为30-65%,而生物基油的生物降解率几乎为95%[7个]. Erhan等人。研究了化学改性植物油的润滑油基础储量潜力,得出结论:污染问题非常严重,全球销售的润滑油中,近50%通过挥发性、溢出或全损失应用而最终进入环境中[八]。
由于矿物和合成油对环境和人类健康的不良影响以及不断增加的石油需求和价格,本研究的目标是在90年代末和21世纪初进行生物资源的研究圣世纪[9个–11个]。定期作出了努力,以替代基于生物油即麻风树,螺旋藻,水黄皮[矿物油德意志北方银行–14个]. 摩擦学系统的摩擦磨损取决于所施加的法向载荷、滑动速度、滑动距离和润滑方式等摩擦学参数。徐等人。得出润滑油的流体动力条件对表面磨损没有显著影响的结论。然而,润滑剂与接触表面之间的相互作用影响着摩擦学性能[15个]。生物油具有优良的防腐性能、高的闪点和燃点以及微弱的水生毒性。从食用油种子中提取的润滑油存在严重的食物和燃料问题,非食用油可以克服这些问题[16个]。许多研究人员研究了基于生物油[摩擦和磨损性能17岁–19个]。The bio- oils comprise of triglycerol (molecular weight: 240.25 g/mol), and polar nature of the fatty acids allows it to form a bond with metallic surfaces and create a thin monolayer that is beneficial in reducing wear and friction [18岁,19个]. 生物基油具有热氧化安定性差、倾点不负、胶凝效果差等缺点[20个–23个]。
在生物油中加入纳米填料,摩擦系数更低,磨痕直径更平滑[24个,25个]. 磨损损失的减少归因于基础油粘度的增加[24个]. 粘度的增加与单位体积油中可用颗粒的数量有关。有许多参数决定了纳米颗粒在润滑剂中的行为,其中一些是尺寸、几何形状以及化学和物理性质。纳米颗粒倾向于在两个相互匹配的部件之间扩散,从而避免金属接触导致磨损减少。有些纳米添加剂与金属表面结合,有些则将滑动转化为滚动摩擦[25个–27个]. Masuda等人。证明了金属纳米填料与润滑剂的不相容性,并得出结论:表面活性是导致这种不相容性的原因[28个]。颗粒添加剂不仅对提高润滑剂的摩擦学性能起着重要作用,而且将生物基础油混合到润滑剂中也表现出多功能的特性[29个–32个]. Li等人。证明了天然大蒜油作为一种高性能极压润滑剂添加剂的应用[33个]。Ossia等。已经承认的二十烷和十八烷酸在蓖麻油和西蒙得木油和加强其氧化稳定性和摩擦特性[存在34个]. 碳粒如碳烟、石墨烯、多壁碳纳米管等具有很好的润滑性[35岁–37个]。
印楝树是印度次大陆的原生树种,广泛种植在印度的北方邦、泰米尔纳德邦和卡纳塔克邦。在阿育吠陀文献中讨论了它的应用。Schmutterer分析了印楝衍生产品作为杀虫剂的效果[38个]。有很多关于印楝及其衍生工具的应用的工作可供选择[39个–45]。Chaudhari等人讨论了一种由印楝油聚酯酰胺制备的聚氨酯的自修复涂层[46]。Muhammad等人讨论了碳酸二烷基二硫锑对楝树油和麻疯树油的磨损预防特性[47]. 印楝油在所有领域都有很好的效益。然而,neem油作为生物润滑油的摩擦学性能研究较少。因此,本研究探讨了neem油及石墨烯纳米板(GNPs)在neem油中对粘度、摩擦磨损和咬合载荷的作用,这是正确选择食品加工机械不同滑动部件中合适润滑剂的重要因素。因此,neem油是进一步认真研究石墨烯纳米血小板与否的首选。
2.材料和方法
印度尼姆石油公司(Neem oil)是从印度迈索尔的NIE可再生能源和可持续技术中心采购的。石墨烯纳米血小板(GNPs)来自印度班加罗尔的Sigma-Aldrich。GNPs的规格是,表面积750 m2个/g、 所考虑的全球生产总值由厚度小于50纳米的3-6层构成。材料密度为0.2-0.4 g/cm三. 数字1个显示了从产品数据表获得的GNPs的透射电镜图像[48]. 从TEM图像可以看出,GNPs是半透明的,它们的排列顺序为几纳米。
2.1。印楝油的提取
楝油状物从它的种子产生。印楝种子进行清洗,粉碎榨油出来。这样得到的油过滤分为两个阶段。首先,用粗过滤器180微米目筛和后用50微米的网筛以除去较细的杂质。一些微粒杂质在以后被丢弃容器的底部沉降。
2.2。将油与石墨烯纳米薄片混合
得到的楝树油彻底以下超声GNP的混合。纳米填料的加载有生物油作为润滑油的功能与0.1-1.5%(重量)在多数研究指出,作为最佳装载的纳米填料有很大的影响进行工程[49–51]。因此,在本研究中,为了评价GNPs加载对印楝油摩擦学性能的影响,将GNPs加入印楝油中,分别在0.25、0.5、0.75、1.0 wt.%四种不同的载荷下制备了纳米润滑油。使用Johnson超声仪进行频率为22khz的超声处理15min。数字2个展示了当前研究的过程图。
2.3。运动粘度的测量
混合油的粘度与基于生物油测试一起。粘度测试进行了红木粘度计,其测试过程由IP六十二分之七十零支配。5个0个 cm三的油被允许向下流动和相应的流动时间( )以秒为单位记录下来以供进一步计算。粘度计的孔板直径为1.62 mm。试验在30°C开始,温度每升高5°C,记录下连续读数。进行了五次试验来确认这些价值。数字三显示了红木粘度计的示意图。方程式(1个)来评价运动粘度( )。
2.4条。摩擦磨损试验
在四球摩擦磨损试验中,研究了非gnps润滑剂的耐磨性。试验程序受astmd4172 [52]. 采用直径12.7 mm、表面镜面抛光的64-66hrc铬钢球进行研究。试验时间60 min,油温75°C,转速1200 ±1 rpm。试验负荷保持恒定,为40 ± 0.1 kg。得到了摩擦系数和磨痕直径。数字4个和5个描述四球测试仪的设置。咬合载荷是旋转球与文具球焊接时的最低应用载荷,表明润滑油的极压水平。极压试验按ASTM D2783标准[53]。试验条件为:负载从400n变化到检出负载,增量为100n,转速维持在1760±30 rpm,油温为25℃,试验持续时间为10s。一旦癫痫发作,为了精确地找到癫痫发作负荷,每次试验都要减少10 N的负荷,直到获得癫痫发作负荷为止。如上所述进行了五次试验来确认这些值。
三。结果和讨论
3.1。GNPs加载对印楝油粘度的影响
流体的流动阻力称为粘度,它是机械中运动部件选择合适润滑油的重要因素之一。由于,润滑剂的重要性能之一是粘度,在目前的研究工作中;重点研究了在印楝油中加入GNPs对粘度变化的影响。因此,不含纳米颗粒的润滑油粘度被认为是基础流体(印楝油),四种载荷下含GNPs的生物润滑油粘度为0.25、0.5。温度从30°C升高到55°C时,分别测量了0.75、1.0 wt.%。实验结果如表所示1个并且也示于图6个. 可见,GNPs无纳米润滑油的粘度随着GNPs负载量的增加,温度从30℃升高到55℃,但较低负载时的粘度变化率远小于较高负载时的粘度变化率。
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加载1.0 wt.%的GNPs- no纳米润滑油的放大粘度的刺激点是,随着温度的升高,不添加GNPs的印楝油粘度显著降低。在印楝油中加入GNPs时,GNPs被放置在印楝油层之间,相互护送,以减缓流体层的移动。结果发现,0.25%和0.5% GNPs-NO纳米润滑油粘度略有下降,呈现下降趋势,如图所示6个.如的GNP负载增加,纳米填料附聚,并创建更大的和非对称的粒子,其防止在彼此流体层的移动;因此粘度增加了的的GNP-NO纳米润滑剂较高负载(0.75和1.0%(重量))。由其他研究人员用不同的液体和纳米添加剂[观察到相同的行为54–57]。Wang等人观察到Al掺入后蒸馏水的粘度提高了86%左右2个O型三[54]。
3.2。耐磨损特性GNPs改性印楝油
首先对纯NO进行了耐磨性研究,然后对NO的混合油进行了耐磨性研究,影响润滑油性能的因素很多。在这方面,摩擦系数与油液组合图如图所示7个. 结果表明,加入0.25%GNPs NO后,摩擦系数降低了7.5%,加入0.5%GNPs NO后,摩擦系数降低了25.2%,在0.75%GNPs NO的条件下,28.9%的还原率最高,1.0%GNPs NO的还原率约为41.4%,与未熔合NO相比,1.0%GNPs NO的磨痕直径显著减小23%,这可能与油的粘度增加有关,而粘度增加有助于形成由于磨痕直径的减小而形成的薄膜。
从图形八,可以观察到GNPs改性油与较低的GNPs比例显示深色的同心凹槽,描绘磨料磨损,而在较高的GNPs比例,它显示光滑的磨损轨迹,描绘减少钢球之间的接触。较暗的沟槽较深,而较亮的沟槽较浅。Suresha等人也发现了类似的观察结果。[58]. 正是这些沟槽使GNPs在磨损表面上保持不动,导致磨损减少,Huang等人也讨论了同样的现象。他们把石墨板[59]. Hernandez等人。实验证明,纳米颗粒会在磨痕区域积聚[60]。
(一)
(二)
(三)
(d)
(e)中
负载是影响磨损的主要特性。ING等。证明,在负载变化在很大程度上决定了钢球[表面上的磨损61]. 润滑油的化学成分影响其耐磨性。Stachowiak和Batchelor曾讨论过,合成润滑油含有含有磷化物和硫化物离子的化合物,这些化合物有可能与钢球表面发生反应,从而在一定程度上防止金属接触并减少磨损[62]. 然而,生物资源中不存在硫化物和磷化物,这使得生物资源比矿物油或合成油具有更高的磨痕[61]. 抗摩擦性能提高的原因是粘度的提高,而抗磨性能的提高则是由于GNPs分散均匀。后一种情况的典型证明可以在Hu等人的工作中找到。[63]。
3.3条。GNPs改性Neem油对极压特性的影响
在开始极压试验时,不寻找它们的咬合载荷,然后是混合油。将GNPs掺入石油中,有助于通过增加扣押负荷来维持故障。在图中观察到9个被检负载被发现与GNP的混合组合均增加。Among all combinations of oils 0.5% GNPs-NO has portrayed the outstanding improvement in seizure load of 2300 N owing to 27.7% increment in seizure load in accordance with NO. However, the higher percentages of GNPs modified NO did not show further increment in seizure load.
造成这种咬合负荷增加的原因是未混合和混合的印楝油的粘度。比努等人。用不同的模型讨论了粘度与承载能力的关系,并进行了实验验证[64]. 最小油膜厚度与粘度之间存在相关性[65]。粘度改善负载承载能力[66]. 因此,可以说,产生的油膜厚度控制着部件的最大载荷。当GNPs-NO含量为1.0%时,粘滞性增大,但粘滞性负荷小于0.5%。
Kozma对胶合载荷与粘度的关系进行了研究和总结,并进一步注意到随着粘度的增加,胶合载荷在一定程度上增加,然后随着粘度的增加而保持不变[67]. 然而,纳米颗粒与液体混合的程度是有限制的,超过这一限制,改进后的性能不再占主导地位[49–51]。数字10个显示极端压力测试后的钢球。在咬合载荷下,薄膜厚度减小,使润滑处于薄膜润滑状态。这种薄膜使表面接触导致磨损。在磨损过程中,润滑剂的冷却作用失效,导致温度升高到较高值。熔化钢球并连接起来。在界面处也可以观察到金属挤压。
3.4条。极压特性下的磨损机理
研究了极端载荷条件下的磨损行为。如图所示,两个球之间形成的薄膜导致了NO在较高负荷下的高扣押负荷(11日). 布洛克曾讨论过,会有表面不规则形成一个连锁,往往会减少表面积的交配时,相比表面积。这一面积的减少会导致很高的轴承压力,从而形成应变硬化[68]。
(一)
(二)
(三)
薄膜的形成避免了钢球相互接触,防止钢球磨损,从而避免了这种情况。图中显示了0.5% GNPs-NO和1.0% GNPs-NO在癫痫发作前形成的薄膜图11(b)和11(c)中. 由于油膜暴露在相同的载荷下,油膜厚度会发生变化。粘度是薄膜形成的主要原因。GNPs与NO混合后的磨损机理与没有GNPs的情况不同。当粘度增加时,所形成的润滑膜将具有更高的厚度,从而避免钢球相互接触,如果润滑膜厚度增加,摩擦表面之间的间隙将增大,最终减少磨损。为了使钢球相互接触,必须破坏润滑膜。破坏润滑油膜需要更多的负荷。因此,它增加了咬合负荷。就在癫痫发作前,薄膜厚度很小,这时微小的GNPs会在球与球之间扩散,有的GNPs会被形成的磨痕所阻止。因此,它们落在磨痕区,球在磨痕区滑动。GNPs是多层的,承受剪切力,避免了金属接触,从而进一步增加了少量的咬合载荷。
在一定的载荷下,薄膜无法形成,导致金属表面接触。这个接触区是导致钢在接触点熔化的高热区。Syahrullail等人。发现在植物油的极端压力下,由于高负荷,会形成楔形切削刃[69]. 在目前的研究中,磨痕是在光学显微镜下观察到的,主要是磨粒磨损。Xu等人。实验证明,石墨烯粘附在作为固体润滑剂的磨痕上,能在一定程度上维持高负荷[70]。
数字德意志北方银行显示剪切GNPs时,暴露在一个非常高的负荷和高速的运作。印楝油中GNPs的含量(0.25%和0.5%)降低摩擦系数和耐磨性较好,与Xu等[70]。磨料磨损的发生是由于在考虑的单位体积的油中存在更多的GNPs。因此,GNPs的这种研磨作用从钢球中去除材料。材料的去除与金属接触产生的高温有关,而金属接触通过加入钢珠而引起卡死。Zhang等人研究了油酸改性石墨烯在5 wt.%时的磨料磨损行为[71]. Hernandez等人。还讨论了在磨痕区域积聚的纳米颗粒的浓度会发生变化,并且会超过润滑剂中纳米颗粒的浓度[60]. 还有一个原因对咬合载荷也有一些关键的影响,那就是GNPs的聚集体比液体形成的薄膜大,液体不能在钢球之间扩散,从而为更多的磨损和瞬间焊接铺平了道路[72]。
3.5。冶金方面涉及球的焊接
应着重研究高负荷磨料磨损对钢球冶金参数和冶金改性的影响。对此,鸣凤曾讨论过,金属表面在相互接触和相对运动中形成凹槽和隆起。因此,这种形成之后是应变硬化。还提到,将产生碎片或剪切,从而将温度升高到足以熔化接触点处的钢球并将其粘在一个配合面上[73]。
类似于由Syahrullail等人所讨论的条件下,图13(甲)示出了楔形切割刃在印度楝树油的情况下,实测值[69]. 高负荷、高速度的工作,进一步导致金属的高温熔化,形成了楔状刃口。然而,边缘暴露在非常高的热空气中,导致部分咬合,表明接近焊接点。在接触点由于磨损的影响,温度升高,并最终抓住球。
(一)
(二)
(三)
(d)
观察到钢球暴露在2.3 kN量级的超高载荷和高运行速度下,钢球开始焊接和脱焊,从而导致钢球的连接。磨损作用进一步导致金属从文具球到其对应物的微接合。在本研究中,上述情况可在图中清楚地观察到13(b)–13(d). 检查时,磨损现象在球表面形成凹坑。作为证据,在光学显微镜与四球摩擦仪耦合拍摄的光学显微镜图像中观察到凹坑。Zulkifli等人。讨论了钢球之间形成一个微连接,当破裂时这个微连接形成一个凹坑[74]. 在数字中13个与NO和0.25% GNPs-NO相比,0.5% GNPs-NO观察到的磨损坑更小,如图所示13(d)因为在如此高的载荷下,金属会挤压到形成楔形切削刃的边缘,而不是粘附在旋转的球体表面上。这种现象可以用图形来表示13(甲). 然而,在NO和0.25%的GNPs-NO中,坑的形成似乎更为显著。
数字14个描述了在2300 N的高负荷下,由于钢球熔化而从边缘挤出的大块物质。值得注意的原因是,由于极高的负荷,钢球在接触点处出现了温度梯度,这种温度梯度降低了硬度值,进而导致金属熔化。图中显示了0.5%GNPs NO时的挤出量14个.
四。结论
目前的调查提出的粘度可能提高,通过包含0.25-1.0%的GNP-NO的穿印楝油的预防和极压特性。GNPs were around <50 nm, flake form and very much scattered, utilizing ultrasonication in the neem oil as a base lubricant. On the basis of results presented in the preceding section, the following conclusions can be drawn:(一世)在30°C - 55°C的温度范围内,纯印楝油的粘度随温度的降低而降低,随GNPs负荷的增加而增加(0.25-1.0 wt.%)。(二)低填充量石墨烯纳米板(GNPs)的neem油的摩擦学性能测试表明,添加1.0%的GNPs-NO后,摩擦系数和磨痕直径均显著减小。这可能是因为GNPs在neem油中具有更好的分散性,因为这些纳米颗粒具有更好的抗磨性。(三)摩擦学试验表明,随着GNPs载荷的增大,GNPs的应用对降低摩擦磨损系数是有效的。高负荷GNPs(1.0 wt.%)的利用比纯印楝油的利用更有吸引力。同样,纳米润滑剂的减摩减磨能力不仅取决于所含纳米颗粒的浓度和纳米颗粒的摩擦学行为,而且还取决于纳米颗粒在neem油中的分散模式(分散均匀性)。(ⅳ)摩擦系数的变化规律表明,在摩擦试验过程中形成了减摩石墨烯纳米层。(v)随着GNPs负载量的增加,钢球表面粗糙度提高。磨损点的光学显微照片表明,在用GNPs对neem油进行磨损试验时,表面光滑,磨痕直径减小,纳米粒子粘附在接触面上。形成的摩擦表面的独特结构在接触区和球表面的其余部分清晰可见。(ⅵ)将GNPs掺入neem油中,使生物润滑油的承载能力提高了27.7%,GNPs-NO含量提高了0.5%,而在GNPs-NO含量为1.0%的情况下,生物润滑油的咬合负荷增加了2.8%。由于其比表面积较大,并且在球表面形成了一层薄石墨烯层,因此可以预期其在表面上的摩擦烧结和间隔棒的冲击。
数据可用性
先前报道的数据被用来支持这项研究。这些先前的研究(和数据集)被引用在文本的相关位置作为参考。
利益冲突
作者声明,本论文的发表不存在此类利益冲突。
致谢
这项工作是由国家工程研究所,研究中心和发展(NIE-CRD)和TEQIP-III,NPIU资助。笔者想承认管理,聂,主要G.拉维博士董事会的支持,TEQIP-III协调员B.N.博士Yuvaraju。该摩擦磨损试验机由马格南工程师,班加罗尔,印度采购的我们愿我们真诚地感谢万能的工程师。我们也感谢Chaitra拉梅什女士,助理教授,聂,谁主持本文以及在该行显著改善手稿。由于去以下复合材料中心研究(CCMR),聂荣臻,技术人员Byresh先生和M. Madhusudhan先生为进行实验给予了帮助。
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