| 六方氮化硼基摩擦界面设计 与 摩擦行为研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 白常宁 | |
| Thesis Advisor | 张俊彦 |
| 2022-05-09 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 六方氮化硼，环境介质，摩擦学行为，分子吸附，结构演变 |
| Abstract | 发展新型固体润滑材料/涂层、添加剂和表面工程等方法，确保在油/水介质、腐蚀液体和高湿度等介质环境下实现优异的润滑性能是研究人员不断的追求。六方氮化硼（h-BN）是一种硼和氮原子sp2杂化形成的二维材料，具有卓越的力学强度、导热性、抗氧化性，耐腐蚀性和润滑性等综合性能，有望成为不同介质环境下服役的新型润滑材料。因此，本文围绕油介质、腐蚀溶液、高湿度以及有机碳污染物蒸气等环境工况，设计并构筑h-BN基摩擦界面，探索其在不同介质环境下的摩擦学行为和结构演变过程，探讨了其边缘缺陷、官能团和B-N键极性等结构因素与介质的相互作用，阐明其宏观接触条件下的润滑机制，并尝试利用h-BN改善其它固体润滑材料的湿度敏感性，以实现其在多种介质环境下良好的摩擦学性能。主要研究内容总结如下： 1. 以商业h-BN薄片（h-BNFs）和镍颗粒（Ni NPs）为原料，在无机粘结剂的辅助下，通过喷涂技术在不锈钢（SS）表面制备复合涂层，并在聚α-烯烃（PAO6）介质环境下考察其摩擦学性能。实验结果和密度泛函理论计算表明，Ni NPs可以原位促进氮原子从h-BNFs边缘脱落，形成缺电子h-BNFs和Ni NPs。随后，缺电子Ni NPs吸附空气中氧分子产生超氧自由基，促使氧功能化缺电子态的h-BNFs。氧功能化的h-BNFs可稳定地吸附PAO6分子，在SS基底上形成减摩抗磨膜层。此外，Ni NPs和h-BNFs之间的金属-边缘相互作用（SMEI）加速PAO6分子碳化在对偶物表面形成碳基薄膜，为维持长期低摩擦性能发挥关键作用。 2. 受贻贝的启发，选择多巴胺对h-BN纳米片进行功能化得到h-BN@PDA，以提高界面相容性，增强其可加工性。在聚乙烯醇（PVA）的辅助下，通过简便的环保喷涂工艺制备致密的h-BN@PDA纳米片基涂层。通过h-BN@PDA和PVA之间的氢键作用，所获得的涂层具有优异的热稳定性。此外，适量的PVA有利于负载传递，提高涂层的力学性能。h-BN@PDA纳米片可以作为腐蚀介质和氧气的物理屏障，或作为润滑剂储存在磨损表面以减少摩擦和增强摩擦稳定性。 3. 通过宏观摩擦实验和第一性原理计算，阐明了含有-OH官能团的环境介质对h-BN的摩擦行为和结构演变的影响。与H2或N2气氛中相比，摩擦系数（COF）显著降低是由于h-BN表面上易物理吸附和解离吸附含有-OH官能团的分子。研究发现存在两种摩擦机制来重建h-BN在潮湿空气和碳污染物（CH3OH和C2H5OH）气氛中的滑动界面。在潮湿空气中，摩擦过程中磨合期导致h-BN形成缺陷，促进水分子的解离吸附。缺陷部位形成纳米结构水将促进h-BN晶体材料层状滑移以减少摩擦。在碳污染环境中，无论h-BN是否存在缺陷，两种分子均表现出强烈的吸附作用，从而削弱了结构破坏性并提高了承载能力。C2H5OH分子更容易解离并结合到缺陷位点，赋予h-BN高面内应力以形成卷曲结构。环状或管状的h-BN具有自我保护作用，有利于减少接触面积和实现非公度接触，以增强润滑作用。 4. 以六方氮化硼/碳纳米颗粒复合物（CNP@h-BNNSs）作为润滑剂改善非晶碳膜湿度敏感性。摩擦后对偶物表面形成了含有碳、硼和氮元素的保护性摩擦层，可以有效地减少摩擦，避免钢球表面受到腐蚀磨损。h-BNNSs暴露在摩擦界面起润滑作用，而碳纳米颗粒则吸附在钢球表面起粘结作用。此外，CNP@h-BNNSs摆动模式以及水分子与CNP@h-BNNSs之间的相互作用也是减少摩擦的关键因素。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Pages | 138 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30075 |
| Collection | 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| 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 | 白常宁. 六方氮化硼基摩擦界面设计 与 摩擦行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2022. |
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