Page 27 - 《摩擦学学报》2020年第3期

第 3 期 关集俱, 等: MWCNTs复合物纳米流体的摩擦学性能 293

Acidified MWCNTs
100 60 Acidified MWCNTs
MWCNTs 40
80 Baseline
Composite 20
60 Heat flow/(w/g) 0 OA MWCNTs
TG/% 40 OA −20 Baseline

−40 Composite
20
−60
0 −80
0 200 400 600 800 0 200 400 600 800
Temperature/℃ Temperature/℃
(a) TG (b) DSC

Fig. 4 The TG and DSC curves of MWCNTs，acidified MWCNTs，OA and the composite
图 4 MWCNTs、酸处理MWCNTs、油酸和复合物的TG与DSC曲线

和复合物的热重分析(TG)和差热分析(DSC)结果. 图4(a) 在初始阶段，复合物纳米流体的摩擦系数波动较
中，MWCNTs和酸处理MWCNTs的具有较为相似的 大，此时表现的应是MWCNTs的摩擦特性. 随着摩擦
热失重过程，复合物在100~200 ℃温度范围内有较为 的进行，复合物纳米流体的摩擦系数趋于平稳，且有
明显的失重过程，这是复合物中的油酸受热逸出的结 逐渐减小的趋势，最后甚至低于油酸乳化液的摩擦系
果. 另外，油酸在MWCNTs中的填充率(η)可以根据相 数，这主要是由于复合物在摩擦区域被挤压、剪切，其
[19]
变潜热公式(3)来计算 ： 内部的油酸被释放，并起到了促进减摩的作用.
2.2.2 添加剂质量分数的影响
H f
η = ×100% (3) 图6为复合物和酸处理MWCNTs的质量分数对所
H p
其中：H 为复合物中油酸的相变潜热，H 为相同质量 制备纳米流体摩擦系数和磨斑直径(WSD)的影响. 可
f
p
油酸的相变潜热，单位均为J/g. 图4(b)的DSC曲线中， 见，随着含量的增大，两种纳米流体的摩擦系数呈先
油酸和复合物在低温时均有1次明显的相变吸热过 减小后增大的趋势，磨斑直径也有相似的变化趋势，
程，该过程中的相变潜热值可通过DSC曲线与基线所 碳管的最佳质量分数在0.1%左右. 这是由于碳管含量
较高时，作用于摩擦区域的碳管粒子增多，所起到的
围成的峰面积进行计算，由此求得复合物中油酸的相
变潜热为37.85 J/g，而相同质量油酸的相变潜热为 “微轴承”润滑作用越明显；但含量过高会造成碳管的
[25]
团聚和沉积 ，反而会导致摩擦区域的碳管减小，使
181.25 J/g，因此可以算出油酸的填充率为20%左右.
2.2 纳米流体的摩擦学性能 得摩擦系数增大，磨损加剧.
2.2.1 摩擦试验载荷的影响 2.2.3 MWCNTs酸处理时间的影响
图5为不同载荷下两种纳米流体和油酸乳化液的 图7是MWCNTs的酸处理时间对纳米流体摩擦系
摩擦系数随时间变化的趋势. 可见摩擦过程中油酸乳 数和磨斑直径的影响. 可见，随着酸化处理时间的增
液的摩擦系数变化不大，摩擦状态较为平稳，这是由 加，摩擦系数和磨斑直径的值均有减小的趋势. 这是
于在低载荷下，油酸分子易吸附在摩擦界面上形成物 由于MWCNTs酸处理时间越长，碳管的长径比越小，
理吸附膜；较高载荷下，油酸分子中的极性基团易与 油酸对MWCNTs的填充、修饰越充分. 这一方面使得
金属反应生成化学反应膜起到润滑作用，因此油酸润 复合物本身的减摩性能得到提高，另一方面使复合物
滑液具有较好的润滑性能 [20-21] . 在不同载荷下，酸处理 在基础液中的分散性稳定性得到提高，纳米粒子在基
MWCNTs纳米流体的摩擦系数比油酸乳液的高，在较 液中分散更均匀，摩擦时起有效润滑作用的复合物粒
低载荷下的摩擦状态较稳定，但在较高载荷下摩擦系 子越多，从而提高了纳米流体的摩擦学性能. 但酸处
数波动较大. 有研究认为，MWCNTs在摩擦副表面可 理时间过长会影响 MWCNTs的结构完整性，影响油
以有效滚动，从而起到“微轴承” 的作用，降低摩擦系 酸在碳管中的填充，因此，酸处理时间也不宜过长，以
[25]
数 [22-24] ，但MWCNTs缺乏有效的、起润滑作用的基团， 8 h左右为宜 .
且化学性质较为稳定，因而同等含量情况下，其润滑 2.3 复合物的润滑机理
效果不如油酸. 图8为油酸乳化液、酸处理MWCNTs和复合物纳