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黑磷纳米微粒添加剂对摩擦界面成膜及摩擦学行为的影响

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黑磷在磷的同素异形体中稳定性较好，是一种具有天然带隙(0.3-1.5eV)的层状半导体材料，可被用于制造电子元器件，在光电领域有广泛应用。由于黑磷的层状结构以及其负泊松比效应，使得其在摩擦学研究领域也有一定的潜在应用价值。本文的研究中，我们采用中低转速球磨法在常温常压下将红磷转化成黑磷，然后通过热溶剂法制备了黑磷纳米片；并进一步将黑磷纳米片利用溶胶-凝胶法合成了纳米二氧化钛/黑磷复合微粒。在此基础上，将黑磷纳米片及其复合微粒作为添加剂分散在PAO6合成油中，通过往复摩擦实验研究了黑磷纳米微粒添加剂对摩擦界面成膜及摩擦学行为的影响。结果表明，黑磷在低载下（～1.2GPa）下具有较好的润滑性，但在高载下（～2.3GPa）的润滑性能明显减弱甚至消失；而纳米二氧化钛/黑磷复合微粒在高低载荷下均表现出优越的润滑性能。机理研究发现，黑磷纳米片在进入摩擦界面后形成了一层吸附膜防止了摩擦副微凸体的直接接触，并且其在摩擦过程中形成了具有抗磨作用的摩擦反应膜。高载条件下吸附膜的厚度变薄，摩擦反应膜在往复运动过程中被擦除，使得黑磷纳米片的润滑性能减弱。复合微粒中润滑机制除了黑磷纳米片的作用外还包括二氧化钛的微滚珠作用，二氧化钛在摩擦界面的微滚珠作用避免了摩擦反应膜被破坏，改善了黑磷纳米片在高载下的润滑性能，对磨损表面进行X射线光电子能谱分析(XPS)发现二氧化钛与黑磷纳米片之间没有发生摩擦化学反应。