Page 102 - 《摩擦学学报》2021年第5期
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第 5 期 彭锐涛, 等: 水基MWCNTs/MoS 2 复合纳米流体的摩擦学性能研究 691
航空高强度合金的精密/超精密加工常伴随剧烈 摩擦系数、体积磨损率和磨痕形貌等分析指标获得了
的摩擦、发热，如冷却润滑不及时将导致工件表面产 最佳配比，并揭示了各组分之间的协同作用和减摩抗
生热损伤缺陷. 冷却液作为刀具-工件之间降温和润滑 磨作用机理. 本研究为复合纳米流体在航空高强度合
的核心介质，能及时疏散加工区热量并减小摩擦，从 金超精密加工中的应用提供摩擦学理论基础，并为其
而提高加工质量并降低刀具磨损. 但由于传统冷却液 在摩擦、润滑领域提供应用参考.
成分、配比固定，其传热、润滑和渗透等性能有限. 为
1 试验部分
进一步提高航空高强度合金超精密加工质量和对环
境的友好性，亟需开发适应于内冷却、微量润滑等加 1.1 试验材料及制备
工工艺 [1-2] 的高效冷却液. 一维碳纳米材料多壁碳纳米管(MWCNTs)是由
纳米尺度的颗粒有着优异的传热与润滑性能，用 两层及以上的六边形碳原子卷成的同轴圆管，具有较
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以制备冷却液具有广阔的应用前景 . 然而，纳米颗粒 大的长径比. MWCNTs是目前已知导热系数最高的物
在基液中一直进行着无规则、剧烈的布朗运动，颗粒 质，因此通常作为纳米添加剂提升基液的导热系数.
之间的范德华力使其相互聚拢而极易发生团聚现象， 但研究表明，MWCNTs在基液中极易发生团聚或缠
导致沉淀的产生. 多壁碳纳米管(MWCNTs)和二硫化 绕，因此破坏润滑环境 [10-11] . MoS 则可与之互补，由于
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钼(MoS )已被证实可有效地提升基液的摩擦学性能 [4-5] ， MoS 仅通过S-S层中(002)晶面上弱范德华力与相邻
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但二者在水和大部分有机溶剂中分散性极差，因此实 层连接，因此层与层之间易产生滑移，这有利于润滑
际应用受到限制. 离子液体(ILs)在室温下呈液态，具 并减少摩擦，但其导热能力不足. 本研究中，MWCNTs
有环保、稳定和挥发低等特点，广泛应用于高应力和 和MoS 纳米颗粒分别购于中国科学院成都有机化学
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高温的摩擦环境中 . 考虑到ILs与纳米颗粒可产生静 有限公司和上海超威纳米科技公司，两种纳米颗粒的
电吸附而分散，尤其是能与MWCNTs生成π-π键，因此 形貌如图1所示，主要物理参数列于表1中. 试验中所
能实现稳定悬浮. 并且，ILs可兼容并提高其他添加剂 使用的ILs为[EMIm]BF ，购于青岛奥立科新材料科技
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的临界胶束浓度 [7-8] ，故可制成复合纳米流体. 本研究 有限公司(中科院兰州化学物理研究所)，其常温常压
中，层状的MoS 具有低剪切特性，管状的MWCNTs能 下的物理参数列于表2中.
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够起到“类轴承”的减摩作用 ，ILs通过静电作用使两 复合纳米流体的制备方法采用适用较广的“两步
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种纳米颗粒相互堆叠，协同强化冷却和润滑性能. 相 法” ，其具体步骤如下：(1) 基于[EMIm]BF 与MWCNTs
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对于单一组分的纳米流体，上述MWCNTs/MoS 复合 在π-π共轭作用下的吸附原理，如图2(a)所示，首先将
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纳米流体更适应于机械加工中需要兼顾换热和润滑 离子液体[EMIm]BF 和MWCNTs以质量比1:1研磨60 min
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的场合. 至胶体状，用以细化碳纳米管颗粒并改善MWCNTs在
本文作者以ILs乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm] 基液中的分散性. 随后，将上述[EMIm]BF -MWCNTs
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BF )作为主添加剂制备了水基MWCNTs/ MoS 复合 胶体置入去离子水中，此时胶体所占质量分数最低为
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纳米流体，并对其悬浮稳定性进行了表征，随后通过 1.2%，超声、磁力搅拌各30 min制备得到MWCNTs水
(a) (b)
1 μm 1 μm
Fig. 1 Microscopic morphology of nanoparticles: (a) MoS 2 ; (b) MWCNTs
图 1 纳米颗粒显微形貌：(a)MoS 2 ；(b)MWCNTs
