| 镓基液态金属的润滑性能研究 | |
郭杰
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| Thesis Advisor | 刘维民 ; 杨军 |
| 2020-06-01 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 镓基液态金属 高温摩擦 载流润滑 润滑添加剂 摩擦学性能 |
| Abstract | 镓基液态金属（GLM）具有低毒、高分解温度、低饱和蒸气压、良好流动性、高热导率和高电导率等特性，是一种新型、性能优异的润滑剂及润滑添加剂，在高温、载流等摩擦学领域具有重要的应用前景。目前，国内外关于GLM润滑性能的研究尚处于起步阶段。本论文比较系统研究了温度和电场对GLM润滑和腐蚀行为的影响，揭示了相关的润滑和腐蚀机理；制备了铝掺杂的GLM，通过微量铝元素掺杂调控摩擦表界面层的成分和结构，进而影响GLM的润滑和腐蚀行为；探索了GLM颗粒作为润滑油添加剂的应用潜力。获得的主要结论如下： 1. 室温至800 ºC宽温度范围内，GLM对T91钢/Al2O3陶瓷配副表现出良好的润滑性能，摩擦系数介于0.21-0.29之间，在无明显腐蚀层出现时T91钢的最低磨损率为10-6 mm3/Nm量级。润滑机理为：室温和200 ºC时，由摩擦界面上生成的富镓膜为滑动副提供边界润滑，但润滑性能随温度的升高而变差；400 ºC时，富镓膜中出现了由摩擦反应诱导生成的高硬度FeGa3纳米晶，该纳米晶提高了富镓膜的承载能力，使得GLM具有最好的润滑性能；600和800 ºC时，材料表界面发生严重的摩擦和腐蚀反应，生成微米级FeGa3和更大尺寸的多元金属间化合物，降低了GLM的润滑性能。腐蚀机理为：600 ºC时T91钢表面与镓反应，由T91钢表面向外生长一层致密的FeGa3膜，而800 ºC时GLM引起FeGa3膜的脆化，对材料内部造成严重的腐蚀。 2. 发展了一种简单的机械研磨工艺，成功制备了微量铝掺杂的GLM；铝掺杂改变了摩擦表界面膜的成分和结构，进而影响了GLM的润滑行为和机理。室温时，摩擦膜由纯GLM润滑时的富镓膜转变为具有更高承载能力的富铝膜，T91钢的磨损率相比于纯GLM润滑时降低约50%。400 ºC时，摩擦膜由纯GLM润滑时的富镓膜和FeGa3晶体转变为Al-Ga共吸附膜，导致T91钢磨损率急剧增加2个数量级。600 ºC时，GLM腐蚀T91钢生成反应膜，铝掺杂使反应膜由纯GLM润滑时的FeGa3膜转变为由多元金属间化合物构成的复合膜，该复合膜的磨损率较FeGa3膜降低约30-40%，同时铝掺杂减轻了GLM对T91钢的腐蚀。 3. GLM是一种性能良好的载流润滑剂，其润滑行为受电流大小、电压大小和电流方向等电场参数影响，润滑机理取决于电场条件下GLM在摩擦界面上引起的四种物理化学效应。电流大小通过焦耳热效应影响摩擦界面上镓元素的吸附和FeGa3的生成；电压大小通过电场力影响摩擦界面上镓元素的吸附，通过电化学效应抑制富镓膜的氧化；电流方向通过电迁移效应影响摩擦界面上镓元素的吸附和FeGa3的生成。只有当电流达到6 A，且载荷达到40 N时，摩擦界面上才能生成FeGa3，该物质具有明显的减摩性，但会增加磨损率。当摩擦产物仅为富镓膜时，富镓膜的厚度越厚、氧化程度越小，磨损率越低。 4. 采用超声法制备了烷基硫醇单分子层修饰的GLM颗粒（GLM-Ps/C12），粒径主要分布在286 nm，具有核壳结构，内部是液态的GLM，外部是氧化镓层和自组装的烷基硫醇单分子层。GLM-Ps/C12可以在PAO10油中稳定分散，当添加浓度为0.17 wt.%时，与纯PAO10油相比，稳态摩擦系数和磨损率分别降低了39%和93%。润滑性能的显著改善归因于GLM-Ps/C12的高热导率，以及由FeS、Ga2O3、In2O3、Fe2O3和Fe3O4等纳米晶构成的摩擦膜。与固态纳米颗粒添加剂相比，液态金属颗粒更容易进入摩擦界面，且最佳添加浓度更低。上述结果表明这种液态颗粒是一种性能良好的新型润滑油添加剂。 |
| MOST Discipline Catalogue | 理学 |
| Pages | 146 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27328 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 郭杰. 镓基液态金属的润滑性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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