離子液體改性MWCNTs、MoS2 及其復(fù)合納米流體的摩擦學(xué)性能

童佳威，彭銳濤?，郝秀清，趙林峰，陳美良

1) 湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411100 2) 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016

機(jī)械加工時(shí)刻伴隨劇烈的摩擦放熱，若冷卻不及時(shí)，局部過(guò)高的熱流密度將導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生熱損傷和形性缺陷，刀具的服役壽命也會(huì)因此大打折扣[1].為及時(shí)疏散加工區(qū)熱量，目前最常用的冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)是以油或水為基礎(chǔ)液體制備而成的冷卻液.其中，油基冷卻液的潤(rùn)滑特性相對(duì)較好；水基冷卻液則擁有高效換熱和滲透能力.這些冷卻液已普遍應(yīng)用于目前的加工中[2]，但在材料、零部件性能要求不斷提高的先進(jìn)制造領(lǐng)域，尤其對(duì)長(zhǎng)期處于高速、高熱、重載工況的航空零部件的精密加工，由于油基冷卻液冷卻效果和環(huán)保性欠佳，水基冷卻液潤(rùn)滑效果受限等，往往只能通過(guò)加大冷卻液使用量或降低加工工藝參數(shù)等方式妥協(xié)，加工效率和經(jīng)濟(jì)性難以保證.因此傳統(tǒng)冷卻液亟需突破性能桎梏.

納米材料具有眾多奇妙特性[3–4]，其在傳熱和潤(rùn)滑方面也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).通過(guò)將納米顆粒物添加至基液而得到的納米流體，自上世紀(jì)90 年代以來(lái)在各領(lǐng)域都倍受關(guān)注[5–6].然而，基液內(nèi)的納米顆粒在布朗運(yùn)動(dòng)和范德華力的作用下極易相互吸附，形成的聚集物沉淀而影響性能，由此制約了納米流體的制備和使用.碳納米管（CNTs）和二硫化鉬（MoS2）即是典型的易團(tuán)簇粒子.它們分別具有高熱導(dǎo)率和低剪切潤(rùn)滑性，但在水或許多其他有機(jī)溶劑中不易分散，因此其實(shí)際應(yīng)用受到諸多限制.在納米流體的制備中，使用攪拌、超聲等物理方式可保持更好的分散性.除此之外，表面改性是保證納米顆粒分散的重要途徑.當(dāng)前常使用添加表面活性劑的改性方式，雖可防止顆粒聚集，但存在臨界膠束濃度低、環(huán)保性不佳、消泡能力差等問(wèn)題.相比之下，離子液體（ILs）本身就是綠色潤(rùn)滑介質(zhì)，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性，適用于高溫工況.其可由π–π 共軛的交聯(lián)方式吸附至CNTs 表面[7–8]，或借助靜電力、氫鍵力或范德華力吸附至其他納米顆粒表面[9]，故常被用于輔助合成與制備納米材料.此外，ILs 與其他表面活性添加劑或多種納米顆粒都能夠很好的兼容，并且可以增加其他添加劑的臨界膠束濃度[10].基于此，離子液體適合制備高性能的復(fù)合納米流體.

研究采用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[EMIm]BF4）ILs 為分散劑，對(duì)多壁碳納米管（MWCNTs）、MoS2進(jìn)行非共價(jià)化改性，使其有效分散于水中.對(duì)兩種單體納米流體及其復(fù)合納米流體的分散、潤(rùn)濕和熱物性能進(jìn)行了表征，隨后通過(guò)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，對(duì)ILs 改性化納米流體的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了分析，并揭示了兩種納米顆粒的協(xié)同作用機(jī)制.本研究為ILs 在納米流體中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，也為納米流體應(yīng)用在需解決傳熱和潤(rùn)滑問(wèn)題的精密加工中提供了參考.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及制備

ILs 由陰、陽(yáng)離子構(gòu)成，通常室溫下為液相的流體，具有不揮發(fā)、分解溫度高的特點(diǎn).實(shí)驗(yàn)選用的[EMIm]BF4型ILs 工作溫度可達(dá)200 °C 以上，其中BF4–型陰離子易溶于水，其自身具有一定的減摩抗磨功能.MWCNTs 可看作是多層石墨烯片卷曲，其擁有極高的導(dǎo)熱能力和較好的潤(rùn)滑性[11].相對(duì)CNTs 而言，多層的管壁上更容易暴露出缺陷，由此[EMIm]BF4分子更易嵌入表面而對(duì)其修飾、改性.MoS2是具有優(yōu)異潤(rùn)滑特性的固體物質(zhì)，歸因于鄰層之間的弱范德華力，其在摩擦中極易產(chǎn)生滑移而實(shí)現(xiàn)低剪切特性，但其導(dǎo)熱性稍弱.兩種改性的顆?？赏ㄟ^(guò)分散劑互相交聯(lián)、吸附[12–13]，故層狀的MoS2和管狀的MWCNTs 在摩擦界面間可產(chǎn)生具有“類軸承”結(jié)構(gòu)特征的疊層吸附簇（圖1），由此兩種顆粒協(xié)同作用，強(qiáng)化減摩抗磨性能和傳熱性能.

圖1 復(fù)合流體中MWCNTs/MoS2 疊層結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the MWCNTs/MoS2 sandwich structure in a composite fluid

實(shí)驗(yàn)所用的MWCNTs 和MoS2納米顆粒分別購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司和上海超威納米科技公司，兩種納米顆粒的顯微特征如圖2所示，主要的物理參數(shù)如表1 所示；改性所使用的[EMIm]BF4ILs 購(gòu)于青島奧立科新材料科技有限公司（中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所），其物理參數(shù)（25 °C，0.1 MPa）如表2 所示.傳統(tǒng)水基冷卻液（QW-386 高效合成切削液，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JB-7453）購(gòu)于長(zhǎng)沙市啟文化工科技有限公司，使用前將冷卻液原液與水調(diào)配，其中原液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%.

圖2 納米顆粒顯微形貌.(a) MoS2;(b) MWCNTsFig.2 Microscopic morphology of nanoparticles: (a) MoS2;(b) MWCNTs

表1 納米顆粒的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of nanoparticles

表2 ILs 的物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of ILs (25 °C,0.1 MPa)

納米流體的制備采用已廣泛適用的兩步法，即先進(jìn)行攪拌，隨后通過(guò)超聲振動(dòng)的空化作用進(jìn)一步分散顆粒.納米流體的制備如下：（1）將[EMIm]BF4和MWCNTs 以質(zhì)量比7∶3[13]在研缽中研磨10 min，由此得到改性的MWCNTs.加入去離子水繼續(xù)研磨5 min，對(duì)納米顆粒細(xì)化并改善其在基液中的分散性，MWCNTs 占總液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%.依次磁力攪拌、超聲振動(dòng)各30 min，即得到MWCNTs 納米流體；（2）以質(zhì)量比7∶3 將[EMIm]BF4與MoS2研磨10 min，繼續(xù)加入阿拉伯樹(shù)膠（GA）和去離子水并研磨5 min，MoS2占總液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%,GA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%.依次磁力攪拌、超聲振動(dòng)各30 min，制備得到MoS2納米流體；（3）將上述MWCNTs 納米流體與MoS2納米流體以質(zhì)量比1∶1 混合，依次磁力攪拌、超聲振動(dòng)各30 min，即制備得到復(fù)合納米流體.實(shí)驗(yàn)中，磁力攪拌轉(zhuǎn)速為500 r·min–1，超聲功率為200 W，40 kHz；制備過(guò)程中添加微量GA 作穩(wěn)定劑使用.納米流體用于摩擦學(xué)性能測(cè)試與材料本身熱物性的對(duì)比，無(wú)防銹劑等特殊功能添加劑，在加工領(lǐng)域及其他應(yīng)用環(huán)境中可按需添加.

1.2 表征與摩擦實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

采用X 射線衍射儀（XRD，日本理學(xué)，Ultima IV，日本）對(duì)購(gòu)入的納米顆粒的粉末的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，衍射角（2θ）設(shè)為10°～90°.采用共聚焦拉曼光譜儀（雷尼紹，inVia，英國(guó)）對(duì)納米顆粒的改性情況進(jìn)行表征，掃描范圍為50～3500 cm–1.采用納米粒度電位分析儀（馬爾文，ZEN3700，英國(guó)）對(duì)納米流體的粒徑與Zeta 電位進(jìn)行測(cè)試，采樣數(shù)為100，每個(gè)樣品測(cè)試3 次.此外，熱物性實(shí)驗(yàn)采用導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x（Hot Disk，TPS2500S，瑞典）和流變儀（安東帕，MCR-301，奧地利）分別測(cè)試納米流體導(dǎo)熱系數(shù)和黏度.其中，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試采用瞬態(tài)平板熱源法，檢測(cè)深度為5.5～6 mm；黏度測(cè)試中剪切速率為0.098～500 s–1，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0.078～389.7 r?min–1，采樣點(diǎn)數(shù)為60.

摩擦實(shí)驗(yàn)在材料表面性能綜合測(cè)試儀（蘭州中科凱華科技，CFT-I，中國(guó)）上完成，對(duì)磨件為GCr 15 軸承鋼鋼球（直徑6 mm），基底為鎳基高溫合金GH4169（20 mm × 25 mm × 10 mm），其化學(xué)組成如表3 和表4 所示.實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，載荷為90 N，往復(fù)滑動(dòng)速度為100 mm?s–1，往復(fù)摩擦距離為5 mm，對(duì)磨時(shí)間為30 min.實(shí)驗(yàn)固定滴落100 μL 流體樣品至基底表面；每次對(duì)磨結(jié)束后更換鋼球和基底.采用超景深三維顯微系統(tǒng)（基恩士，VHX-5000，日本）觀測(cè)磨痕形貌與提取磨痕輪廓，每個(gè)磨痕上選3 處不同位置測(cè)量并取其平均值用于體積磨損率的計(jì)算，如式（1）所示：

表4 鎳基高溫合金GH4169 的主要化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 4 Main chemical composition of the GH4169 superalloy %

表3 GCr15 軸承鋼的主要化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Main chemical composition of the GCr15 bearing steel %

式中：K為體積磨損率，cm3·N–1·m–1；A為橫截面積，mm2；L為磨痕長(zhǎng)度，mm；S為總摩擦長(zhǎng)度，mm；F為法向載荷，N.

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD 和拉曼光譜分析

XRD 用于表征納米顆粒純度和晶相結(jié)構(gòu)特征.圖3 為納米顆粒MWCNTs、MoS2的測(cè)試結(jié)果.其中，MWCNTs 納米顆粒的XRD 強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在26.016°，42.700°和44.506°，分別對(duì)應(yīng)(002)，(100)和(101)晶面.這幾組衍射峰雖與石墨類似[14]，表現(xiàn)出六方晶系的衍射特征，但二者區(qū)別在于同一層片內(nèi)MWCNTs 沿軸向排布更緊密，因此譜圖中無(wú)其他強(qiáng)衍射峰出現(xiàn).當(dāng)然，受制備工藝和純度的影響，MWCNTs 內(nèi)部存在極少量的非晶碳相或石墨相[15].MoS2納米顆粒的XRD 強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在14.339°，32.965°，39.64°，49.780°，58.515°，這與六角相MoS2標(biāo)準(zhǔn)譜相對(duì)應(yīng)，分別為(002)，(100)，(103)，(105)和(110)晶面，由此說(shuō)明購(gòu)入的顆粒符合2H 型六方晶系特征[16]，材料無(wú)其他摻雜或污染.

圖3 納米顆粒的XRD 譜圖.(a) MWCNTs;(b) MoS2Fig.3 X-ray diffraction spectra of nanoparticles: (a) MWCNTs;(b) MoS2

對(duì)改性的納米流體稀釋、過(guò)濾，粘取顆粒至載玻片，通過(guò)拉曼光譜分析顆粒表面結(jié)構(gòu)特征.圖4展示了MWCNTs 和MoS2納米顆粒改性前后的拉曼圖譜變化.其中，未改性的MWCNTs 中出現(xiàn)了兩個(gè)特征峰，1340 cm–1附近的D 峰反映了MWCNTs的無(wú)序度和缺陷，1570 cm–1附近的G 峰反映了表層原子的完整度[17].改性后兩峰的比率（ID?IG–1）顯著增加，說(shuō)明借助超聲振蕩與攪拌這兩種物理方法，[EMIm]BF4分子被吸附在MWCNTs 周圍或是嵌入至表層缺陷中，因此表面被修飾且暴露出更多空位.這有利于降低MWCNTs 的表面能，減少顆粒間發(fā)生團(tuán)聚.未改性MoS2納米顆粒的拉曼特征峰出現(xiàn)在382 cm–1和408 cm–1附近.據(jù)報(bào)道[18–19]，這兩個(gè)特征峰主要由振動(dòng)平面E12g和A1g決定，受顆粒堆疊厚度的影響，振動(dòng)平面會(huì)有不同程度抑制，特征峰出現(xiàn)的波長(zhǎng)位置會(huì)發(fā)生變化.隨著顆粒堆疊程度的減小，兩個(gè)峰值將分別發(fā)生藍(lán)移、紅移而相互靠攏.由此可說(shuō)明，通過(guò)[EMIm]BF4改性后MoS2的團(tuán)聚（堆疊）變小，分散程度增加.

圖4 納米顆粒的拉曼光譜.(a) [EMIm]BF4 改性的MWCNTs;(b) [EMIm]BF4 改性的MoS2Fig.4 Raman spectra of nanoparticles: (a) [EMIm]BF4 modified MWCNTs;(b) [EMIm]BF4 modified MoS2

2.2 納米流體分散性與潤(rùn)濕性能分析

納米流體的粒徑與Zeta 電位可用以分析其分散性，如圖5 與表5 所示，MWCNTs 通過(guò)“π–π 鍵”與[EMIm+]陽(yáng)離子相互吸附，其Zeta 電位較改性前大幅升高，納米顆粒周圍形成靜電平衡區(qū)，顆粒間因位阻效應(yīng)[20]而有效分散，但受其自身長(zhǎng)徑比影響，平均粒徑最終為923.3 nm；MoS2納米顆粒通過(guò)靜電力，氫鍵力與范德華力吸附[EMIm+]而實(shí)現(xiàn)改性，微量的長(zhǎng)鏈GA 分子可增加吸附層厚度，并將親液官能團(tuán)伸入水中[21]，故其Zeta 電位較改性前大幅升高，納米流體分散性極大改善，平均粒徑僅427.1 nm；復(fù)合納米流體中兩種納米顆粒吸附[EMIm+]陽(yáng)離子，并由穩(wěn)定劑GA 包裹形成穩(wěn)定懸浮的納米簇，故雙電層剪切面上Zeta 電位達(dá)32.7 mV，其粒徑的分布范圍大，平均粒徑為447.8 nm.

表5 納米流體的粒徑分布Table 5 Particle size distribution in the nanofluid nm

圖5 納米流體的Zeta 電位Fig.5 Zeta potential of nanofluids

納米流體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕性可由接觸角進(jìn)行表征，同時(shí)可用以說(shuō)明其鋪展成膜的能力.實(shí)驗(yàn)采用座滴法取5 μL 樣品滴至高溫合金基底表面（表面粗糙度Ra=0.53 μm），通過(guò)五點(diǎn)取樣的平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果.如圖6 所示，所有樣品對(duì)金屬基底的接觸角都小于90°.其中傳統(tǒng)水基冷卻液由于包含變壓器油等對(duì)金屬親和的添加劑，故雖水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)95%，依舊起到了較好的潤(rùn)濕效果.單組元的MWCNTs、MoS2納米流體則是由強(qiáng)極性的[EMIm]BF4分子改性而使其相較純基液（水）的接觸角有所減小.復(fù)合納米流體中兩種納米顆粒經(jīng)[EMIm]BF4改性而互相吸附，隨后經(jīng)GA包裹形成低表面能的納米簇分散于基液中，因此流體的表面張力進(jìn)一步降低.當(dāng)液滴滴落在金屬表面時(shí)，氣–液表面能密度降低，鋪展范圍變大，故接觸角減小至59.33°，為所有實(shí)驗(yàn)樣品中的最小值.由此意味著可更迅速地在工作區(qū)域鋪展成膜，從而有效地發(fā)揮其抗磨和抗磨的作用.

圖6 不同流體在高溫合金基底表面的接觸角Fig.6 Contact angle of different fluids on the surface of the superalloy substrate

2.3 納米流體熱物性能分析

黏度是流體的基本物理性能指標(biāo)，用以表征液相物質(zhì)的流動(dòng)性.水是一種低黏的牛頓流體，室溫（25 °C）黏度僅為0.89 mPa·s；[EMIm]BF4的黏度為39 mPa·s，已在表2 中給出.其余對(duì)照樣品的黏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7（a）所示.實(shí)驗(yàn)中選用的高精度轉(zhuǎn)子適用于小黏度流體的測(cè)量，剪切率>305.1 s–1時(shí)引發(fā)泰勒渦而使黏度值波動(dòng)[22].相對(duì)于水、ILs、傳統(tǒng)水基冷卻液（1.19 mPa·s）而言，所制備的納米流體由于添加了納米顆粒而形成了假塑性流體[23]：隨著剪切速率增加，流體黏度迅速下降，隨后緩慢衰減，最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（144.1～305.1 s–1）.此外，納米流體中添加的[EMIm]BF4對(duì)納米顆粒改性而吸附在其表面，因此流體并未因添加了高黏的ILs 而增稠.相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下，MWCNTs 和MoS2納米流體的平均黏度分別為：1.50 mPa·s，1.11 mPa·s；復(fù)合納米流體中雖然兩種納米顆粒吸附而使粒徑分布域變大，但流體內(nèi)部的摩擦較小，黏度為1.49 mPa·s.納米顆粒的引入并未引起黏度的大幅增大，而是與基液相近，保持較低的黏度.

圖7 不同流體的熱物性測(cè)試結(jié)果.(a)黏度;(b)導(dǎo)熱系數(shù)Fig.7 Test results of thermophysical properties of different fluids: (a) viscosity;(b) thermal conductivity

導(dǎo)熱系數(shù)主要表征了納米流體的傳熱能力，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7（b）所示.其中，純水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.599～0.667 W·(m·K)–1（25～65 °C），以其為基液調(diào)制成的傳統(tǒng)水基冷卻液雖包含導(dǎo)熱系數(shù)僅0.18 W·(m·K)–1的變壓器油，但導(dǎo)熱系數(shù)依舊可至0.53～0.58 W·(m·K)–1（25～65 °C）.純ILs 屬于導(dǎo)熱較差的物質(zhì)，但在納米流體中[EMIm]BF4與納米顆粒交聯(lián)吸附而分散，起到固體強(qiáng)化傳熱的作用[24]，因此納米流體較基液的傳熱性能發(fā)生明顯提升，尤其是復(fù)合納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)1.02 W·(m·K)–1（25 °C），且隨溫度升高導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)增大至1.19 W·(m·K)–1（65 °C）.總體而言，納米流體黏度雖略高于常規(guī)冷卻劑和水，但卻獲得了更高的導(dǎo)熱系數(shù)，適合應(yīng)用于需要大量傳熱換熱的機(jī)械加工領(lǐng)域.

2.4 摩擦磨損分析

2.4.1 摩擦系數(shù)分析

摩擦系數(shù)的變化曲線及平均值分布如圖8 所示.水潤(rùn)滑環(huán)境下摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，且隨對(duì)磨時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)而逐漸上升，平均摩擦系數(shù)高達(dá)0.319；傳統(tǒng)水基冷卻液具有較好的潤(rùn)滑性能，摩擦系數(shù)變化相對(duì)平穩(wěn)，平均摩擦系數(shù)為0.093；純[EMIm]BF4由于分子的強(qiáng)極性，可吸附至摩擦副表面而產(chǎn)生一定的減摩抗磨效果[25]，故摩擦系數(shù)較低，以此為改性強(qiáng)化添加劑制備而成的MWCNTs、MoS2及其復(fù)合納米流體，均表現(xiàn)出了優(yōu)異的潤(rùn)滑效果.其中，MWCNTs 納米流體在前20 min 內(nèi)表現(xiàn)出了極低的摩擦系數(shù)，但隨后摩擦系數(shù)產(chǎn)生較劇烈的波動(dòng).相比之下，MoS2納米流體中固相顆粒憑借自身的低剪切層狀的結(jié)構(gòu)保持了相對(duì)穩(wěn)定的摩擦過(guò)程，摩擦系數(shù)變化較小.具有兩種納米顆粒的復(fù)合納米流體不僅具有最低的平均摩擦系數(shù)，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中摩擦系數(shù)的變化穩(wěn)定平順，平均值僅0.083，具有極佳的減摩效果.

圖8 摩擦系數(shù)曲線與平均摩擦系數(shù)分布.(a) 摩擦系數(shù)變化曲線;(b) 平均摩擦系數(shù)分布Fig.8 Friction coefficient curve and average friction coefficient distribution: (a) variation curve of friction coefficient;(b) average friction coefficient

2.4.2 磨痕形貌與體積磨損率分析

不同流體潤(rùn)滑條件下的基底磨痕形貌及其三維輪廓如圖9 所示.以去離子水為潤(rùn)滑介質(zhì)的基底表面產(chǎn)生了寬、深皆極大的磨痕，摩擦中產(chǎn)生的硬質(zhì)磨屑形成三體磨損[26]，在磨痕中產(chǎn)生了大量刻痕和粘附性剝落.傳統(tǒng)水基冷卻液潤(rùn)滑下磨痕大小雖有所減小，但磨痕中依舊出現(xiàn)了大面積的剝落和犁溝，磨痕邊沿還出現(xiàn)了因劇烈磨損形成的飛邊.相比之下，以[EMIm]BF4作為改性分散劑的納米流體極大強(qiáng)化了抗磨性能，磨痕深度和寬度愈發(fā)減小，磨痕中的缺陷及程度也進(jìn)一步減小.其中，[EMIm]BF4自身具有一定的減摩抗磨作用，其基底磨痕中雖出現(xiàn)了刻痕和許多細(xì)小的點(diǎn)蝕狀凹坑，但磨痕尺寸整體較小.MWCNTs 納米流體潤(rùn)滑下的磨痕窄，中部較平滑.考慮到基液逐漸蒸發(fā)后MWCNTs 濃縮聚集在磨痕中[27]，流動(dòng)性減弱，因此磨痕中出現(xiàn)點(diǎn)蝕，邊沿處因潤(rùn)滑不足而出現(xiàn)少量劃痕.MoS2納米流體潤(rùn)滑下，雖磨痕深度和寬度較大，但基液摩擦受熱逐漸蒸發(fā)后MoS2層間滑移使對(duì)偶件保持邊界潤(rùn)滑狀態(tài)[28]，故僅在磨痕邊沿出現(xiàn)輕微的點(diǎn)蝕和劃痕.復(fù)合納米流體潤(rùn)滑下，兩種結(jié)構(gòu)各異的顆粒堆疊可實(shí)現(xiàn)減小粘著磨損和磨粒磨損的功能[29]，摩擦過(guò)程相比單組元的MWCNTs、MoS2納米流體更為平順，減摩抗磨性能更好，故磨痕窄而淺，缺陷僅表現(xiàn)為輕度劃痕.

圖9 不同潤(rùn)滑條件下的基底磨痕形貌及其三維輪廓.(a)H2O;(b) ILs;(c) 傳統(tǒng)水基冷卻液;(d) MoS2 納米流體;(e)MWCNTs 納米流體;(f) 復(fù)合納米流體Fig.9 Wear morphology and its three-dimensional profile under different lubrication conditions: (a)H2O;(b) ILs;(c) conventional coolant;(d) MoS2 nanofluid;(e)MWCNTs nanofluid;(f) composite nanofluid

體積磨損率可與三維輪廓相互印證分析，如圖10 所示，水潤(rùn)滑條件先，基底表面的體積磨損率遠(yuǎn)超其他對(duì)照組，高達(dá)6.608×10–6cm3·N–1·m–1；水基的傳統(tǒng)水基冷卻液已極大改善了磨痕尺寸，體積磨損率縮短至0.683×10–6cm3·N–1·m–1.但納米流體較傳統(tǒng)水基冷卻液進(jìn)一步強(qiáng)化了抗磨性能，磨痕輪廓進(jìn)一步縮小.其中，[EMIm]BF4ILs 具有較好的抗磨性能，單獨(dú)用作液相潤(rùn)滑劑時(shí)體積磨損率僅0.378×10–6cm3·N–1·m–1.以此為分散劑制備而成的MoS2納米流體保持了固相顆粒的低剪切潤(rùn)滑特性，體積磨損率為0.425×10–6cm3·N–1·m–1；MWCNTs 納米流體將摩擦副面–面接觸形式轉(zhuǎn)變?yōu)橛商脊軡?rùn)滑的線接觸，因此抗磨性能突出，體積磨損率為0.192×10–6cm3·N–1·m–1；復(fù)合納米流體兼顧減摩和抗磨性能，磨痕窄而淺，體積磨損率僅0.189×10–6cm3·N–1·m–1，相比傳統(tǒng)水基冷卻液減小了72.33%.

圖10 不同潤(rùn)滑條件下體積磨損率分布Fig.10 Distribution of the volume wear rate under different lubrication conditions

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)[EMIm]BF4改性所制備的納米流體Zeta電位大幅提高至32.7 mV，納米顆粒在空間位阻作用下有效分散于基液中.其中MoS2、MWCNTs 納米流體的平均粒徑分別為427.1 nm，923.3 nm，復(fù)合納米流體的粒徑分布范圍廣（141.8～1055.4 nm），但平均粒徑為447.8 nm.

(2) MWCNTs、MoS2及其復(fù)合納米流體對(duì)金屬表面的潤(rùn)濕效果較好，接觸角最低僅59.33°；納米顆粒和分散劑的引入未引起納米流體黏度的大幅增加，室溫（25 °C）平均黏度最低僅1.49 mPa·s，由此保持水基冷卻劑流動(dòng)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)獲取了更高的導(dǎo)熱系數(shù)（最大為1.02 W·(m·K)–1），適用于需要高效流動(dòng)換熱的機(jī)械加工領(lǐng)域.

(3) MWCNTs、MoS2及其復(fù)合納米流體強(qiáng)化了基液的減摩抗磨性能，包含兩種納米顆粒的復(fù)合納米流體性能最優(yōu)，其層狀、管狀幾何結(jié)構(gòu)堆疊產(chǎn)生“類軸承”作用，平均摩擦系數(shù)降至0.083，工件表面磨痕窄而淺，體積磨損率相比傳統(tǒng)水基冷卻液減小72.33%.