CN109852453A

CN109852453A - 一种高性能液态金属润滑剂的制备方法

Info

Publication number: CN109852453A
Application number: CN201910010605.1A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 程军; 刘维民; 郭杰; 谈辉; 朱圣宇; 乔竹辉
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2039-01-07
Also published as: CN109852453B

Abstract

本发明公开了一种高性能液态金属润滑剂的制备方法，是在氩气流通环境中，将铝粉或银粉加入到盛有新鲜Galinstan（Ga₆₅In₂₂Sn₁₃，mass%）的硬质合金球磨罐中，封闭、充入高纯氩气进行球磨，即得。铝粉或银粉加入量为Galinstan质量的0.2%~1.0%，球磨条件：球料比2:1~3:1，球磨转速200~300r/min，时间30min~1h。经测试，本发明制备的液态金属润滑剂的润滑性能优于Galinstan液态金属，材料磨损较小或相当，因而在更多领域具有重要应用前景。另外，本发明所需设备简单、工艺可控、成本低，可批量化生产。

Description

一种高性能液态金属润滑剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种液态金属润滑剂的制备方法，属于高性能润滑剂材料领域。

背景技术

高可靠、长寿命的关键机械摩擦副零部件如高端泵、阀、传动密封等是航空航天、核电等高端装备发展的核心要素，液体润滑剂是赋予机械部件特定服役性能的重要方法。追求卓越高效的液体润滑剂一直是摩擦学领域的永恒主题和面临的共性关键问题。如何开发兼具耐更高温度（>300℃）、耐辐照、低腐蚀和高承载等特性的新型液态润滑剂更是制约我国“超音速飞行器”、“两机专项”和“四代核电”等事关国防安全和国民经济命脉的重大装备型号工程发展的关键技术之一。

镓基室温液态金属是一类新兴的多功能材料，蕴藏着许多未知的新奇特性，正为其它前沿科学和技术领域提供重大启示和极为丰富的研究空间。在摩擦学和冷却剂领域，镓基室温液态金属兼具绿色和高温润滑剂（低蒸汽压、易剪切和良好流动性）特性，是一种理想的空天和核能用高温润滑剂，具有极高的研究价值。最新研究表明，Galinstan（Ga-In-Sn，液态金属具有优异的散热性能（ACS Applied Materials & Interfaces 2017；9；(6):5638-5644），能够阻止极端高载条件下滑动界面的焊合；Ga-In-Sn液态金属在室温至800℃对AISI 52100/Si₃N₄摩擦副表现出优异的润滑和减磨性能（Materials Letters 2015;215;140-143）。一般认为，传统润滑油脂的服役温度不超过300℃；Ga-In-Sn液态金属表现出优异的承载特性（Tribology International 2019;219;1-4），在AISI 52100/Si₃N₄配副时，其承载能力接近1500 N，远高于传统油脂和离子液体。

设计制备新型润滑性能优异的多组分镓基室温液态金属具有重要的应用前景。在制备技术层面，主要的难点在于：镓基液态金属表面极易形成氧化镓膜阻止金属元素进入实现合金化或混合。为解决这一难题，相关研究利用物理手段在含氮手套箱环境中（氧含量≤10PPM）吸取新鲜的EGaIn和Galinstan液态金属置于研钵，分别加入质量分数1%的Al粉和1.2%的Cd粉，研磨30min，成功实现合金化（Science 2017; 358; 332-335; Nano Letters2017; 17; 7831-7838）。但是这种制备工艺对环境氧含量要求高且混合需靠人力长时间研磨，难以大规模应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能液态金属润滑剂的制备方法。

本发明高性能Galinstan：X（X=Al、Ag）液态金属润滑剂的制备方法，是在氩气流通环境中，将铝粉或银粉加入到盛有新鲜Galinstan的硬质合金球磨罐中，封闭、充入高纯氩气进行球磨，即得Galinstan：X（X=Al、Ag）液态金属润滑剂。

所述铝粉或银粉加入量为Galinstan质量的0.2%~1.0%。

所述球磨条件：球料比2:1~3:1，球磨转速200~300r/min，时间30min~1h。

所述氩气流通环境是指往球磨罐中连续通入高纯氩气，氩气流量为3~5L/min。高纯氩气的纯度99.999%。

利用HT-1000摩擦磨损试验机表征Galinstan和本发明Galinstan：X两种液态金属的润滑性能。摩擦条件为T91钢-T91钢，速度0.4 m/s，载荷 10 N。利用三维轮廓仪表征材料的磨损体积。

测试结果显示，Galinstan：Al介质环境下T91钢的磨损率较Galinstan介质环境下降低一倍，且摩擦系数更低（参见图1）；Galinstan：Ag介质环境下T91钢的磨损率较Galinstan介质环境下相当，但摩擦系数更低（参见图2）。

综上所述，本发明利用机械球磨法获得了一种新型Galinstan：X液态金属润滑剂，进一步提高了Galinstan的润滑性能。经测试，该高性能液态金属润滑剂润滑性能优于Ga-In-Sn液态金属，材料磨损较小或相当，因而在更多领域具有重要应用前景。另外，本发明所需设备简单、工艺可控、成本低，可批量化生产。

附图说明

图1为本发明所制备Galinstan：Al液态金属介质环境下的摩擦系数和磨损率。

图2为本发明所制备GaGalinstan：Ag液态金属介质环境下的摩擦系数和磨损率。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明液态金属润滑剂的制备和性能作进一步详细的说明。

实施例1、Galinstan：Al液态金属润滑剂的制备

在氩气流通环境中，将铝粉加入到盛有新鲜Galinstan（Ga₆₅In₂₂Sn₁₃，mass%）的硬质合金球磨罐中，封闭、充入高纯氩气进行球磨，即得Galinstan：Al液态金属润滑剂。铝粉的加入量为Galinstan质量的1.0%；球磨条件：球料比2:1，球磨转速250r/min，球磨时间1h。

利用上述方法测定Galinstan：Al的润滑性能：盘磨损率为0.96×10^-6mm³/Nm，摩擦系数为0.295。

实施例2、Galinstan：Al液态金属润滑剂的制备

在氩气流通环境中，将铝粉加入到盛有新鲜Galinstan（Ga₆₅In₂₂Sn₁₃，mass%）的硬质合金球磨罐中，封闭、充入高纯氩气进行球磨，即得Galinstan：Al液态金属润滑剂。铝粉的加入量为Galinstan质量的0.5%；球磨条件：球料比2:1，球磨转速250r/min，球磨时间1h。

利用上述方法测定Galinstan：Al的润滑性能：盘磨损率为1.26×10^-6mm³/Nm，摩擦系数为0.358。

实施例3、一种Galinstan：Ag液态金属润滑剂的制备

在氩气流通环境中，将银粉加入到盛有新鲜Galinstan（Ga₆₅In₂₂Sn₁₃，mass%）的硬质合金球磨罐中，封闭、充入高纯氩气进行球磨，即得Galinstan：Ag液态金属润滑剂。银粉的加入量为Galinstan质量的1.0%；球磨条件：球料比3:1，球磨转速300r/min，球磨时间30min。

利用上述方法测定Galinstan：Ag的润滑性能：盘磨损率为2.78×10^-6mm³/Nm，摩擦系数为0.29。

上述各实施例中，氩气流通环境是指往球磨罐中连续通入高纯氩气（纯度99.999%），流量5L/min。

Claims

1.一种高性能液态金属润滑剂的制备方法，是在氩气流通环境中，将铝粉或银粉加入到盛有新鲜Galinstan的硬质合金球磨罐中，封闭、充入高纯氩气进行球磨，即得。

2.如权利要求1所述一种高性能液态金属润滑剂的制备方法，其特征在于：所述铝粉或银粉加入量为Galinstan质量的0.2%~1.0%。

3.如权利要求1或2所述一种高性能液态金属润滑剂的制备方法，其特征在于：所述球磨条件：球料比2:1~3:1，球磨转速200~300r/min，时间30min~1h。

4.如权利要求1或2所述一种高性能液态金属润滑剂的制备方法，其特征在于：所述氩气流通环境是指往球磨罐中连续通入高纯氩气，且氩气流量为3~5L/min。

5.如权利要求1或2所述一种高性能液态金属润滑剂的制备方法，其特征在于：高纯氩气的纯度99.999%。