向碩,盧鵬,石偉年,楊鑫,何燕,朱立業(yè),孔祥微
(1 陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系,重慶 401311;2 96725部隊,云南 紅河哈尼族彝族自治州 651400;3 中國人民解放軍成都質(zhì)量監(jiān)督站, 四川 成都 610000;4 海軍航空大學(xué),山東 煙臺 264000)
隨著現(xiàn)代機械設(shè)備功能化和系統(tǒng)集成度的提高,重載、高速、高溫等苛刻服役工況使得滾動軸承的磨損問題日益突出[7]。在軸承工業(yè)領(lǐng)域,潤滑脂作為提高滾動軸承使用壽命的關(guān)鍵材料,被稱為軸承的“第五大組件”[8]。因此,研發(fā)高性能潤滑劑添加劑應(yīng)用于軸承潤滑脂,已成為材料摩擦學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。二維材料是一種具有片狀形態(tài)的新型納米材料,尺寸范圍為數(shù)百納米到數(shù)十微米乃至更大的橫向尺寸,但厚度僅為單個或幾個原子層[9]。二維材料具有高的比表面積、高模量和高強度的單層結(jié)構(gòu)以及層間易于滑動的特點,使其很容易吸附在接觸表面上,阻止摩擦副直接接觸,使得二維材料在潤滑材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[10-12]。如何實現(xiàn)高質(zhì)量二維材料的快速宏量制備,是制約其廣泛推廣應(yīng)用的瓶頸之一。目前,二維材料的常用制備方法包括機械剝離法[13-15]、液相剝離法[16-19]、氣相合成法[20-21]和化學(xué)合成法[22-24]。其中液相剝離法具有工藝簡單、成本低、易于放大等特點,是當前規(guī)模宏量化制備領(lǐng)域研究的熱點。
本文以微米級WS2為原料、異丙醇為剝離介質(zhì),通過超聲輔助液相剝離、液相級聯(lián)離心和固液分離的策略制備不同尺寸的二維WS2納米片,采用X射線衍射儀、拉曼光譜儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、熱重-差示掃描量熱聯(lián)用分析儀等對二維WS2納米片的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和熱穩(wěn)定性進行表征。借助四球摩擦磨損試驗機研究二維WS2納米片的片徑和添加量對鋰基潤滑脂極壓、減摩和抗磨性能的影響,利用電子顯微鏡對鋼球磨損表面進行分析。
微米級WS2粉體,廣州納諾化學(xué)技術(shù)有限公司;N-乙烯基吡咯烷酮(NVP),分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;乙醇,分析純,成都市科隆化學(xué)品有限公司;MVI500 基礎(chǔ)油,中國石油化工股份有限公司荊門分公司;12-羥基硬脂酸鋰皂,山東紅星化工公司。
SCIENTZ-CHF-5B 超聲波二維材料剝離器,寧波新芝生物科技股份有限公司;JIDI-20D 臺式多用途高速離心機,廣州吉迪儀器有限公司;SHB-S 循環(huán)水式多用真空泵,北京世紀予華儀器有限公司;MQ-800型四球摩擦磨損試驗機,濟南試驗機廠;JSM-5600LV 掃描電子顯微鏡,日本JEOL 公司;15JF 測量顯微鏡,上海精密儀器儀表有限公司;D-MAX 2500/PC 粉末X 射線衍射儀(XRD),日本Rigaku;STA 449 F3 Jupiter同步熱分析儀(TG-DSC),德國NETZSCH;LabRAM HR Evolution 激光拉曼光譜儀,日本Horiba;Tecnai G2 F20 S-TWIN場發(fā)射透射電鏡,美國FEI公司。
1.2.1 二維WS2納米片的制備
將1g 微米級WS2粉體(WS2-1)與異丙醇混合,配成4mg/mL 的分散液,并在400W 的超聲功率下進行液相剝離10h;剝離后的分散液進行液相級聯(lián)離心,依次級聯(lián)離心的轉(zhuǎn)速為1000r/min、2000r/min、 3000r/min、 4000r/min、 5000r/min、6000r/min、7000r/min 和8000r/min,離心時間均為2h;分別取2000r/min 和8000r/min 離心后的下層沉淀進行冷凍干燥,經(jīng)24h真空干燥后,冷卻至室溫稱重,計算固體粉末WS2-2和WS2-3的收率分別為31.8%(質(zhì)量分數(shù),下同)和7.9%。二維WS2納米片制備流程如圖1所示。
圖1 超聲輔助液相剝離制備二維WS2納米片的流程圖
1.2.2 含二維WS2納米片鋰基潤滑脂的制備
以本文作者課題組前期制備的鋰基潤滑脂為基礎(chǔ)脂[25],將WS2-1、WS2-2 和WS2-3 按照質(zhì)量分數(shù)0、0.5%、1.0%、1.5%,2.0%的添加量分別加入基礎(chǔ)脂中,并使用三輥磨研磨3次,所得即為含二維WS2納米片鋰基潤滑脂樣品。
2) 關(guān)鍵異常工況的高效HMI。根據(jù)ISA-101.01 Human-Machine Interfaces以及報警規(guī)范的要求,提供高效HMI的功能,定制并開發(fā)針對關(guān)鍵異常工況的高效HMI。
采用 JSM-5600LV 掃描電子顯微鏡(SEM)、Tecnai G2 F20 S-TWIN 場發(fā)射透射電鏡(TEM)和VEECO Nanoscope Ⅲa 型原子力顯微鏡(AFM)對二維WS2納米片的微觀形貌、結(jié)構(gòu)和顆粒大小進行觀測,采用LabRAM HR Evolution 激光拉曼光譜儀(Raman)和 D-MAX 2500/PC 粉末X 射線衍射儀(XRD)對二維WS2納米片進行相結(jié)構(gòu)分析,采用STA 449 F3 Jupiter 同步熱分析儀(TG-DSC)考察二維WS2納米片的熱穩(wěn)定性能,測試條件:溫度范圍為24~700℃,升溫速率為10℃/min,測試氣氛為空氣,空氣流量為100mL/min。
利用四球摩擦磨損試驗機測定WS2-1、WS2-2和WS2-3添加量對鋰基潤滑脂極壓、抗磨和減摩性能的影響。四球摩擦磨損試驗機摩擦副的接觸形式為點接觸,試球為GCr15 鋼球,直徑為12.7mm,主軸轉(zhuǎn)速為(1450±50)r/min,時間為1h,溫度為25℃,載荷分別為294N、392N和490N。試驗開始前,將所用鋼球在石油醚中清洗3次,然后固定試樣并將適量潤滑脂涂覆在鋼球接觸區(qū)域開始試驗。試驗過程中,利用摩擦磨損機所帶軟件每隔1s 記錄一次摩擦系數(shù)。試驗完成后,采用丙酮溶液對鋼球進行超聲波清洗,用測量顯微鏡測量鋼球磨斑的直徑,每個鋼球重復(fù)測量3次,取平均值作為鋼球的磨斑直徑。采用掃描電子顯微鏡(SEM)進一步觀察鋼球磨斑表面的微觀形貌。
二維WS2納米片的微觀形貌如圖2所示。由圖2(a)、(b)、(c)可以看出,二維WS2納米片主要由厚度相近的片狀結(jié)構(gòu)薄片組成,發(fā)生了一定程度的堆積,平均片徑分別為1μm、300nm、80nm。由圖2(d)、(e)、(f)可以看出,二維WS2納米片為層狀結(jié)構(gòu),進一步由圖2(g)、(h)、(i)可以直觀地看出,二維WS2納米片完整的晶格條紋和邊緣處的少層結(jié)構(gòu),且WS2-1、WS2-2、WS2-3 的層間距分別為0.19nm、0.22nm、0.53nm。
圖2 二維WS2納米片的形貌表征
由圖3(a)可以看出WS2-1、WS2-2、WS2-3 的XRD 譜圖基本相似,特征峰分別位于14.3°、28.86°、32.7°、33.5°、39.5°、44.02°、49.66°、58.34°、60.42°,分別對應(yīng)于(002)、(004)、(100)、(101)、(103)、(006)、(106)、(110)、(112)晶面。樣品的主峰主要為(002),說明制備的產(chǎn)物可按(002)晶面擇優(yōu)取向;WS2與六方晶系WS2的X 衍射標準卡片(No.87-2417)特征峰位完全一致,說明產(chǎn)物具有較高純度;另外,晶體的結(jié)晶度主要通過衍射峰的峰寬和峰強體現(xiàn),衍射峰越窄、峰強越大說明結(jié)晶度越高,圖中(002)面的衍射峰強度較高,峰形尖銳,說明制備的WS2具有較好的結(jié)晶度。
圖3 二維WS2納米片的結(jié)構(gòu)表征
由圖3(b)可以看出WS2-1、WS2-2、WS2-3的拉曼光譜中都含有兩個明顯的振動峰E12g和A1g。E12g對應(yīng)于S 原子平面內(nèi)振動,出現(xiàn)在355cm-1附近;A1g對應(yīng)于S原子平面外振動,出現(xiàn)在417cm-1附近。發(fā)現(xiàn)隨著離心速度的增大,開始藍移,這說明樣品的結(jié)晶度呈降低趨勢,這可能是因為離心速度為3000r/min和5000r/min時,A1g振動峰占主導(dǎo);當超聲速度為10000r/min 時,E12g振動峰占主導(dǎo),一定程度地破壞了S—W—S 結(jié)構(gòu),加大了結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。此外,二硫化鉬振動峰A1g和E12g的峰強比會隨著層數(shù)的降低而增加,WS2-3的A1g和E12g峰強比為2.02,WS2-2、WS2-1 的A1g和E12g峰強比分別為0.31和1.44,說明WS2-3的層數(shù)更薄。
圖4所示為WS2-1、WS2-2、WS2-3的TG-DSC曲線圖。由圖4(a)~(c)可以看出在300℃以下,WS2-1、WS2-2、WS2-3 均具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,熱重損失僅2%~4%,這可能是由于吸附水的蒸發(fā)所致。WS2-1重量急劇下降開始在360℃,在500℃出現(xiàn)強放熱峰,失重率約為7%;WS2-2 重量急劇下降開始在390℃,在430℃和590℃出現(xiàn)強放熱峰,失重率約為10%;WS2-3 重量急劇下降開始在300℃,在490℃出現(xiàn)強放熱峰,失重率約為16%。質(zhì)量的損失可能是由于WS2在高溫下氧化生成WO3。隨著二維WS2納米片尺寸變小,其熱穩(wěn)定性變差,重量損失增加,這可能是因為不同尺寸的二維WS2納米片比表面積不同所致,WS2-3的層數(shù)最薄,比表面積大,所以熱穩(wěn)定性相對較差。
圖4 二維WS2納米片的結(jié)構(gòu)表征TG-DSC曲線圖
2.3.1 極壓性能
圖5(a)為二維WS2納米片對鋰基脂極壓性能的影響。由圖5(a)可以看出,二維WS2納米片均能提高鋰基潤滑脂的極壓性能,其中WS2-3的提升效果最顯著,當WS2-3 質(zhì)量分數(shù)添加量為2.0%時,鋰基脂的PB值和PD值較基礎(chǔ)脂分別提升了63.3%和86.1%。這表明二維WS2納米片的尺寸對鋰基脂極壓性能有顯著影響,這可能是由于二維WS2納米片越小,其比表面積越大,更容易進入并吸附到摩擦副表面所致。
圖5(b)為WS2-3添加量對鋰基脂極壓性能的影響。由圖5(b)可以看出,隨著WS2添加量的增加,潤滑脂的極壓性能也隨之提升,在質(zhì)量分數(shù)添加量為2.0%時,WS2鋰基脂提升極壓性能效果越顯著。說明WS2添加量越大,提升極壓性能效果越顯著,可能是因為添加量越大,在摩擦副表面更容易生成固體潤滑轉(zhuǎn)移膜,發(fā)揮其選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng),避免了金屬間的直接接觸[26]。
2.3.2 減摩性能
圖6為不同載荷下WS2添加量對潤滑脂平均摩擦系數(shù)的影響。由圖6可以看出,在不同載荷下添加WS2均能較好地提升鋰基脂的抗磨性能,并且添加WS2-3 鋰基脂減摩效果明顯優(yōu)于添加WS2-1 和WS2-2的鋰基脂。在同一載荷下,隨著WS2添加量的增加,平均摩擦系數(shù)整體上呈先減小后增大的趨勢,在質(zhì)量分數(shù)添加量為1.0%時達到最小。這可能是由于在添加量較少的情況下,WS2粒子更容易均勻吸附在摩擦副表面,其可滑動的層間結(jié)構(gòu)使?jié)櫥骄Σ料禂?shù)降低,但隨著添加量的增加,WS2粒子產(chǎn)生團聚從而使阻力增大,導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)上升[27]。
圖6 二維WS2納米片對鋰基脂減摩性能的影響
2.3.3 抗磨性能
圖7為不同載荷下WS2添加量對潤滑脂磨斑直徑的影響。由圖7 可以看出,在不同載荷下添加WS2均能較好地提升鋰基脂的抗磨性能,并且添加WS2-3 鋰基脂抗磨效果明顯優(yōu)于添加WS2-1 和WS2-2 的鋰基脂。在同一載荷下,磨斑直徑隨著WS2添加量的增加而降低,在質(zhì)量分數(shù)添加量為2.0%時達到最小。這可能是由于適量的WS2吸附在摩擦副表面,有助于潤滑膜的形成。另外,WS2鋰基脂抗磨效果在高載荷下比低載荷下要好,這可能是由于在低載荷條件下,摩擦副表面主要形成吸附膜來保護摩擦表面,而在高載荷條件下,摩擦副表面同時形成吸附膜及化學(xué)反應(yīng)膜,能夠更好地提升潤滑脂的抗磨性能[28]。
圖7 二維WS2納米片對鋰基脂抗磨性能的影響
為了更直觀地分析WS2鋰基脂潤滑下鋼球的抗磨性能,利用SEM 對其磨斑形貌進行觀察。測定條件為:載荷392N,轉(zhuǎn)速1200r/min,摩擦?xí)r間60min。圖8 為基礎(chǔ)脂與不同質(zhì)量分數(shù)的WS2-3 鋰基脂潤滑下鋼球磨損SEM形貌。由圖8(a)可見,采用基礎(chǔ)脂潤滑時,鋼球表面磨斑呈橢圓形,表面劃痕多且深。由圖8(b)~(e)可見,隨著WS2添加量的增加,鋼球的磨斑直徑不斷減小,磨斑變得更加平整,當質(zhì)量分數(shù)添加量為2.0%時,磨斑直徑最小且較圓,磨痕平整且犁溝淺,無明顯微坑和脫落。從鋼球磨斑表面形貌來看,基本與試驗預(yù)期的摩擦磨損試驗結(jié)果一致。
圖8 WS2-3 添加量對鋼球磨斑表面形貌的影響
(1)采用超聲輔助液相剝離、液相級聯(lián)離心和固液分離的策略實現(xiàn)了不同片徑二維WS2納米片的規(guī)?;苽?,且所制備的樣品晶型無破壞、晶格完整,具有較好的熱穩(wěn)定性。另外,二維WS2納米片的尺寸對鋰基潤滑脂的摩擦學(xué)性能有顯著影響,隨著尺寸減小,其極壓、抗磨和減摩性能均明顯提升。
(2)當載荷為392N、二維WS2納米片質(zhì)量分數(shù)添加量為2.0%時,最大無卡咬負荷和燒結(jié)負荷分別提升63.3%和86.1%,摩擦系數(shù)和鋼球磨斑直徑降幅分別達到19.3%和34%,摩擦副表面磨痕變窄、表面犁溝數(shù)量減少、磨粒磨損程度減輕。