CN1563299A - 核壳结构纳米固体润滑剂及其制备方法 - Google Patents

核壳结构纳米固体润滑剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核壳结构纳米固体润滑剂及其制备方法，这种润滑剂在切向力的作用下微粒极易产生滚动，并在相对运动的偶件表面形成转移膜，具有更强的抗极压特性，能够大幅度降低摩擦系、减轻磨损，能够适用于高温、高速等苛刻环境。它是在球形纳米W或纳米Mo的微粒表面包覆S或Se，然后在氢气氛和一定温度下使包覆物S或Se与金属Mo或W进行硫化反应，最终在Mo或W微粒的表面合成出均匀的MoS2、MoSe2或WS2、WSe2的润滑壳层而获得的。由于这种润滑剂的微粒尺寸在纳米级，所以它可以单独使用，亦可作为添加剂与润滑油(酯)复合使用。

Description

核壳结构纳米固体润滑剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及机械润滑技术领域，确切地说，它是一种在纳米钼(Mo)或纳米钨(W)微粒的表面合成出均匀的二硫化钼(MoS2)、二硒化钼(MoSe2)或二硫化钨(WS2)、二硒化钨(WSe2)壳层，而获得的Mo/MoS2、Mo/MoSe2或W/WS2、W/WSe2核壳结构的纳米固体润滑剂及其制备方法。
背景技术：
在机械传动、驱动、支撑等机构中，无论是滑动摩擦还是滚动摩擦，除利用摩擦力做功外，人们总是希望摩擦副之间的摩擦系数越小越好。为达到减小摩擦力的目的，通常采用在摩擦副之间加入润滑剂的方式，降低摩擦副之间的摩擦系数、减轻摩擦，保证设备正常、安全地运行。因而，改进润滑剂的性能，不仅能有效地减少零部件的磨损，延长机械设备的工作寿命，还可以节省动力、提高工作效率、降低工作噪音；对于机械加工设备来说，还可以提高工件的加工精度。
作为润滑剂，一般有液体和固体两种，传统的固体润滑剂主要由软固体和容易产生层滑移的层状结构固体构成，其中MoS2、MoSe2和WS2、WSe2是硫化物类固体润滑剂中的四种主要材料。这种固体润滑剂具有耐高温、耐低温、不易蒸发、抗辐射、抗腐蚀、抗极压性强、不污染环境等优点。在固体润滑剂方面的发明创造中，中国专利申请号为：01130864.8、公开号为：CN1337452A公开的固体润滑剂，它的主要成分即为MoS2，再在其中加入Ca-S分散剂、ZDDP防氧化剂、PIB增粘剂等辅助制剂，其润滑原理也是利用它们具有的层状结构、易形成层滑移的特点，在偶件摩擦表面起到润滑的作用，而其粒子的基本结构并没有改变。与液体及半固体润滑剂(润滑酯)相比，这类固体润滑剂仍存在着摩擦系数较高、冷却散热性差的缺点；另外，颗粒较为粗大的硫化物类固体润滑剂也难以与润滑油(酯)复合使用，并会给偶件的匹配精度带来影响。
发明内容：
本发明的目的是利用电爆炸技术获取纳米级球形W和Mo的微粒，再经硫(S)或硒(Se)的包覆和硫化，制备出一种内部为硬质固体核、表面为润滑壳层、平均直径为纳米级的微粉，进而克服现有技术存在的不足，提供一种易于在相对运动的偶件表面形成转移膜、具有更强的抗极压特性，能够大幅度降低摩擦系、减轻磨损，适用于高温、高速等苛刻环境下润滑的核壳结构纳米固体润滑剂。
本发明所述的核壳结构固体润滑剂是在球形纳米W或纳米Mo的微粒表面包覆S或Se，然后在氢气氛和一定温度下使包覆物S或Se与金属W或Mo进行硫化反应，最终在W或Mo微粒的表面合成出均匀的MoS2、MoSe2或WS2、WSe2的润滑壳层而获得的。
所述的球形纳米W或纳米Mo微粉的颗粒直径为60nm--90nm，包覆物为S或Se；S或Se的溶剂为四氯化碳(CCl4)和二硫化碳(CS2)的混合液；硫化反应在氢气中进行；爆炸室气体介质为氩气。
本发明球形纳米W或纳米Mo微粉的制备方法是：W或Mo微粉的原料为纯度高于99.95％的丝材。将电爆炸室(8)抽真空至1Pa以下，向爆炸室(8)内充入高纯度(99.999％)氩气至0.25MPa--0.35Mpa；直径为0.3mm--0.36mm的W或Mo丝通过送丝机构(7)连续送入电爆炸区(5)内；在电爆炸区(5)长度为7cm--9cm、工作直流高压电源(1)为30KV-36KV、电容组(2)总电容量为1.6μF--2.4μF的条件下，制备出直径为60nm--90nm的纳米W或纳米Mo球形微粒粉体。
本发明纳米W或纳米Mo微粒的S或Se的包覆方法是：以体积比为1∶1--1.5的比例，将四氯化碳(CCl4)和二硫化碳(CS2)制成混合溶剂；每立升溶剂中兑入150--200克S或130--180克Se；按摩尔比Me/X＝1.4--1.9(Me：W，Mo；X：S，Se)，取纳米W或纳米Mo添加到上述已溶解的混合液体中，搅拌10--20分钟；用超声震荡分散纳米粉体，保持15-30分钟；再减压蒸馏，去除溶剂；得到表面包覆S或Se的纳米W或纳米Mo粉体。在兑好的含S或Se的混合溶液中添加不同量的纳米W或纳米Mo粉体，可以得到S或Se包覆量不同的纳米W或纳米Mo粉体。
本发明S或Se包覆的纳米W或纳米Mo粉体的硫化反应方法是：将适量的S或Se包覆的纳米W或纳米Mo粉体装入到硫化反应室中，反应室抽真空至1pa以下，向反应室充入氢气至0.05Mpa--0.09Mpa，反应室加热到360℃--560℃，维持反应室氢气压不变，恒温2小时--4小时。然后随炉冷却至室温，获得的即为Me/Me X2(Me：W或Mo，X：S或Se)核壳结构纳米固体润滑剂。
本发明所述的固体润滑剂，其内部是硬质固体核，而表面是润滑壳层，微粉颗粒为球形，平均直径在100nm以下，因而，这种润滑剂相当于为数众多的微型滚珠。与现有固体润滑剂相比，这种润滑剂在切向力的作用下微粒极易产生滚动，不仅可使偶件在相对运动中通过这种润滑剂实现滚动摩擦，而且还易于在偶件表面形成转移膜，并具有更强的抗极压特性。从而能大幅度降低摩擦系数，减轻磨损，提高齿轮等偶件的工作性能，延长机械零部件的工作寿命。由于这种润滑剂的微粒尺寸在纳米级，所以它还可以作为添加剂与润滑油(酯)复合使用，这也大大提高其综合性能。另外，在有磨粒存在的情况下本发明能明显减轻磨粒对偶件的磨损。在高温、高速等苛刻环境下本发明尤能显示出其良好的润滑性能。
附图说明：
图1是本发明用于制备球形纳米W或纳米Mo粉体的电爆炸装置的原理示意图。
图中：1是直流高压电源、2是电容器组、3是等离子体放电管、4是阳极靶、5是爆炸区、6是阴极、7是W或Mo原料丝供给驱动系统、8是爆炸室、9是地线。
具体实施方式：
实施例1：
纳米W或纳米Mo微粉的制备：球形纳米W或纳米Mo的平均直径与所选择的料丝直径、阳极靶与阴极间的电爆炸区长度、所提供的直流高压及电容器组的总电容量有关。
将电爆炸室8抽真空至1Pa以下，向爆炸室8内充入高纯度(99.999％)的氩气，在电爆炸室8内氩气气压为0.28Mpa、电爆炸区长度为8cm、工作直流高压为35KV、电容组总电容量为2.4μF的条件下，将纯度高于99.95％、直径为0.33mm的W丝通过送丝机构7连续送入电爆炸区5内，制备出的球形纳米W颗粒的平均直径为80nm。
将电爆炸室8抽真空至1Pa以下，向爆炸室8内充入高纯度(99.999％)的氩气，在电爆炸室8内氩气气压为0.25Mpa，、电爆炸区长度为8cm、工作直流高压为33KV、电容组总电容量为2.0μF的条件下，将纯度高于99.95％、直径为0.33mm的Mo丝通过送丝机构7连续送入电爆炸区5内，制备出的球形纳米Mo颗粒的平均直径为65nm。
实施例2：
纳米W或纳米Mo的S或Se包覆：
各取500ml的CS2和CCl4溶剂，制成混合溶剂，取160克S加入到溶剂中，搅拌使S完全溶解，制成混合液；取1.5公斤纳米W或0.8公斤纳米Mo加入到混合液中，搅拌15分钟；然后用超声震荡分散25分钟；再减压蒸馏，去除溶剂；得到S包覆纳米W或S包覆纳米Mo的粉体。
各取500ml的CS2和CCl4溶剂，制成混合溶剂，取150克Se加入到溶剂中，搅拌使Se完全溶解，制成混合液；取0.6公斤纳米W或0.3公斤纳米Mo加入到混合液中，搅拌15分钟；然后用超声震荡分散25分钟；再减压蒸馏，去除溶剂；得到Se包覆纳米W或Se包覆纳米Mo的粉体。
在兑好的含S或Se的混合溶液中添加不同量的纳米W或纳米Mo，可以得到S或Se包覆量不同的纳米粉体。
实施例3：
硫化反应
在反应室中装入S包覆的纳米W或纳米Mo，反应室抽真空至1pa以下，向反应室充入氢气至0.07Mpa，反应室加热到390℃，维持反应室氢气压不变，恒温4小时。然后随炉冷却至室温，获得W/WS2或Mo/MoS2核壳结构纳米固体润滑剂。
实施例4：
在反应室中装入Se包覆的纳米W或纳米Mo，反应室抽真空至1pa以下，向反应室充入氢气至0.08Mpa，反应室加热到490℃，维持反应室氢气压不变，恒温4小时。然后随炉冷却至室温，即获得W/WSe2或Mo/MoSe2核壳结构纳米固体润滑剂。

Claims (3)

1、核壳结构纳米固体润滑剂，其特征在于：电爆炸方法产生的直径为60nm--90nm的W或Mo的球形微粒表面包覆S或Se，硫化反应后，在W或Mo微粒表面产生MoS2、MoSe2或WS2、WSe2均匀润滑壳层的微粉。
2、根据求权力要求1所述的核壳结构纳米固体润滑剂，其特征在于：爆炸室气体介质为氩气，包覆物S或Se的溶剂为四氯化碳(CCl4)和二硫化碳(CS2)的混合液，硫化反应在氢气中进行。
3、如权力要求1所述的一种核壳结构纳米固体润滑剂的制备方法如下，其特征在于：
(a)球形纳米W或纳米Mo微粉的制备：W或Mo微粉的原料为纯度高于99.95％的丝材，将电爆炸室(8)抽真空至1Pa以下，向爆炸室(8)内充入纯度高于99.999％氩气至0.25MPa--0.35Mpa，直径为0.3mm--0.36mm的W或Mo丝通过送丝机构(7)连续送入电爆炸区(5)内，在电爆炸区(5)长度为7cm--9cm、工作直流高压电源(1)为30KV--36KV、电容组(2)总电容量为1.6μF--2.4μF的条件下，制备出直径为60nm--90nm的纳米W或纳米Mo球形微粒粉体；
(b)纳米W或纳米Mo微粒的S或Se的包覆：以体积比为1∶1--1.5的比例，将四氯化碳(CCl4)和二硫化碳(CS2)制成混合溶剂，每立升溶剂兑硫150--200克或硒130--180克，按摩尔比Me/X＝1.4--1.9，Me为W，Mo；X为S，Se，取纳米W或纳米Mo添加到上述已溶解的混合液体中，搅拌10--20分钟，用超声震荡分散纳米粉体，保持15-30分钟；再减压蒸馏，去除溶剂；
(c)S或Se包覆的纳米W或纳米Mo粉体的硫化反应：将S或Se包覆的纳米W或纳米Mo粉体装入到硫化反应室中，反应室抽真空至1pa以下，向反应室充入氢气至0.05Mpa--0.09Mpa，反应室加热到360℃--560℃，维持反应室氢气压不变，恒温2小时--4小时，然后随炉冷却至室温。
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