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蘭州化物所在六方氮化硼基納米潤滑材料研究中取得進展

發布時間:2021/9/1 16:55:52編輯:Ma Liang
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  隨著人們環境保護意識增強,開發無污染、無毒、生物降解性好的“綠色”潤滑劑愈加重要。潤滑劑的主要組成要素是潤滑介質(基礎油、水、離子液體等)和添加劑,因而開發“綠色”添加劑成為重要研究課題之一。六方氮化硼納米片(h-BNNSs)與石墨烯結構相似,具有優異的生物相容性、機械強度、高溫抗氧化性和化學穩定性,是一種頗具發展前景的“綠色”添加劑。然而,由于h-BNNSs化學穩定性好,難以改性,使其較難長期穩定分散于潤滑介質中充當添加劑。因此,如何提高h-BNNSs在潤滑介質中的分散穩定性成為其能否作為潤滑劑添加劑的關鍵問題之一。
  近日,中國科學院蘭州化學物理研究所納米潤滑課題組基于h-BNNSs層間相互作用、結構及功能調控的策略,開展了h-BNNSs基潤滑劑添加劑設計、開發、潤滑性能優化以及摩擦學機制等方面的研究,設計制備出一系列h-BNNSs基潤滑劑添加劑。
  基于對電子分布狀態與相應摩擦性能之間的構效關系,研究提出了通過調整h-BNNSs體系的電子結構來改變層間相互作用,從而降低h-BNNSs層間摩擦的方法。研究基于“egg-box”模型,引入氟(F)、氫(H)、氧(O)等原子促進電子在雙層h-BNNS層間和層內的再分布,從而改變層間的相互作用能(圖1)。這種能量變化可以有效調控層間的摩擦學行為,尤其在層間距達到臨界數值時,體系可以實現超低摩擦。該研究為控制和降低二維納米材料層間的摩擦提供了新策略,并為實驗分析和工程應用提供了良好的理論基礎。相關研究結果發表在J. Appl. Phys.Europhys. Lett.Physica E上。
  研究運用機械剝離-原位改性工藝,制備出聚合物和氟元素功能化h-BNNSs (Pebax-BNNSs和F-BNNSs),并剖析了Pebax-BNNSs和F-BNNSs作為水基納米潤滑添加劑的摩擦學性能和摩擦機制。其中,Pebax-BNNSs/水分散體系通過“彌散補償-填充-修復”過程實現超低摩擦(COF≤0.01,圖2a);而對F-BNNSs/水分散體而言,F改性可以促使F-BNNSs邊緣發生卷曲,并在剪切力的作用下,F-BNNSs在滑動界面處形成納米卷結構,導致摩擦界面形成非公度接觸,從而有效降低界面間摩擦磨損。相關研究結果發表在npj 2D Mater. Appl.ACS Appl. Nano Mater.上。
  研究人員還制備了h-BNNSs包裹碳納米顆粒(CNP@h-BNNSs)結構。該結構可直接涂覆于非晶碳膜表面,優化碳基薄膜在潮濕環境下的摩擦學性能。研究表明,對偶鋼球表面電荷和核心碳納米顆粒之間的靜電吸引力有助于形成保護性摩擦層,而暴露在摩擦界面的h-BNNSs充當潤滑劑,從而降低了能耗和摩擦力(圖3a)。此外,研究人員采用多巴胺功能化h-BNNSs,以提高h-BNNSs的界面相容性和成膜性,并在聚乙烯醇的輔助下,利用簡便的環保噴涂工藝制備出致密的h-BN@PDA基涂層。h-BN@PDA納米片可作為耐腐蝕性介質的阻擋層或潤滑劑/潤滑層,以減少界面腐蝕或磨損,從而表現出良好的防腐和減摩性能(圖3b)。相關研究結果發表在Chem. Eng. J.Mater. Today Nano上。
  研究工作得到國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、甘肅省自然科學基金、蘭州化物所特聘人才計劃等的支持。
 

微信號:ayiwangapp17

(來源: 中國科學院科技產業網 )

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