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我院董晉湘教授課題組在新型固體潤滑劑研究方面取得進展

發佈時間:2019-02-26 10:28:36 来源:博狗体育博狗体育在线精細化工研究所 作者:博狗体育在线張效勝

世界能源消耗的1/3是由摩擦磨損造成的,潤滑技術是有效的節能手段,探索環境友好的潤滑材料是一個重要的研究方向。二硫化鉬具有層狀晶體結構(層間是較弱的範德華力,層板是較強的共價鍵,層板易於沿切向方向滑移),是苛刻工況條件(高溫、高載、極壓等)下潤滑的必備選擇,但是存在鉬資源稀散,重金屬污染,高溫下易氧化失效的問題。

近年來,我院董晉湘教授課題組在探索新型固體潤滑劑替代二硫化鉬研究方面取得系列進展。從晶體結構特點出發,前期研究材料主要涉及到層狀氧化物如層狀硅酸鈉以及層狀磷酸鋯。通過溫和合成方法——晶種法和低溫自加壓法,分別製備出α-和β-層狀二硅酸鈉材料,避免了高能耗和雜晶玻璃體生成的問題;摩擦學試驗結果表明,層狀二硅酸鈉材料可有效提升潤滑油和潤滑脂的承載能力(在液體石蠟基礎潤滑油中添加1.0 wt%α-層狀二硅酸鈉,承載能力PB值由392 N提升至470 N,在PAO9鋰基潤滑脂中添加5.0 wt%β-層狀二硅酸鈉,承載能力PB值由353 N提升至1568 N。)[Hong Xu, Yajie Wang, Huafeng Li, Lei Liu, Feng Deng, Guoxu Chen, Jinping Li and Jinxiang Dong*.J. Mater. Chem. 2009, 19, 6896–6900;Xiaosheng Zhang, Weichao Sun, Huijuan Ma, Hong Xu* and Jinxiang Dong*.Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 182−188]在離子液體熱合成體系中製備出α-層狀磷酸鋯,發現可以有效改善礦物基礎油(100 SN)的承載抗磨性能(承載能力PB值由470 N提升至598 N,抗磨能力磨斑直徑由0.58 mm減少到0.33 mm。)[Lei Liu, Zhaofeng Chen, Haibo Wei, Yang Li, Yuchuan Fu, Hong Xu, Jinping Li, Alexandra M. Z. Slawin and Jinxiang Dong*. Inorg. Chem. 2010, 49, 8270–8275 ]通過直接水熱合成的方式,分別獲得了銅、鎂、鎳離子交換型α-層狀磷酸鋯,實現了粒徑的有效調控;添加到鋰基潤滑脂中,改善了承載抗磨能力;摩擦副表面分析結果表明,磷酸鋯材料可以在表面形成保護膜;考察了不同粒徑對潤滑性質的影響,較大顆粒樣品承載能力高,較小顆粒樣品在相對溫和載荷下的減摩抗磨性質表現出優勢。[Xiaosheng Zhang, Hong Xu, Zhijun Zuo, Zhi Lin, Stanislav Ferdov and Jinxiang Dong*.ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013, 5, 7989−7994;Xiaosheng Zhang, Hong Xu* and Jinxiang Dong*.JMEPEG 2018, 27,1927–1935;Xiaosheng Zhang, Hong Xu* and Jinxiang Dong.Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 2019, 34(1), 47-54;Li Chen, Xiaosheng Zhang, Hong Xu and Jinxiang Dong.Tribol Lett 2016, 64,1.發明專利CN201310030217.2, CN201310221283.8]

近期,本課題組在統一的摩擦學試驗工況下對比了經典固體潤滑材料的摩擦學性質,建立了材料晶體結構與承載力之間的關聯(表1)。具有褶皺層板的層狀材料,具有更高的承載能力。在建立的固體潤滑材料構效關係的基礎上,遵循元素資源豐富、綠色環保的原則,從晶體學數據庫中篩選出了可以作爲新型固體潤滑劑的層狀磷酸鉀鎂和層狀磷酸鉀鈣材料。(圖1)。[Xiaosheng Zhang, Wenxing Niu, Yingjing Dai, Hong Xu* and Jinxiang Dong*.Scientific Reports 2018, 8,16210;發明專利CN201310169803.5,CN107502422A, CN107502423A] 文中篩選出的環保型固體潤滑材料(層狀磷酸鉀鎂、層狀磷酸鉀鈣),在食品、紡織、船用機械等方面具有潛在的應用前景;文章發明的快速篩選材料的方法爲各種具有應用潛力的材料的合成與應用提供了指導。

1 多種經典層狀固體潤滑材料層板晶體結構(球棍模型與多面體模型)展示及承載機理 

材料名稱

分子式

PB (N)

 多面體模型

  球棍模型

承載機理

β-層狀硅酸鈉

Na2Si2O5

1568

α-層狀磷酸鋯

 Zr(HPO4)2∙H2O

1235

羥基硅酸鎂

 Mg6Si4O10(OH)8

617

 二硫化鉬

 MoS2

617

 

 

1通過晶體數據庫檢索篩選出環保型層狀磷酸/鈣作爲固體潤滑劑

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