粉煤灰在PAO油中的摩擦學性能研究

王秋月，張麗麗，張正瑞

(四川輕化工大學 土木工程學院， 四川 自貢 643000)

0 前 言

微納米粒子作為潤滑材料的研究始于20世紀90年代，尤其是納米摩擦學，主要研究摩擦、磨損、潤滑現象和材料摩擦學特性的關系，是材料科學和摩擦學交叉領域最前沿的分支學科之一。

近年來，納米材料作為潤滑油添加劑的應用得到了廣泛研究，并被證明能夠在潤滑油中發揮顯著的摩擦學性能。但納米添加劑的生產工藝復雜、價格昂貴。因此，探索并研究具有摩擦學性能且價格低廉的潤滑添加劑具有十分重要的社會意義和經濟效益。

粉煤灰是燃煤電廠排放的廢棄物，會帶來環境污染、水質污染及堆積占地等問題。合理有效地利用粉煤灰，不僅能改善其對環境的污染問題，而且可以實現二次利用，并帶來非?？捎^的經濟效益。最近，粉煤灰已成功用于金屬基復合材料以減輕整體重量，并且這些復合材料已成功用于汽車和航空航天應用。使用粉煤灰開發的聚合物基復合材料可用作低成本的綠色摩擦材料。

粉煤灰主要是通過在電廠燃燒煤炭來產生的，目前處理粉煤灰最常用的方法包括：①放置在垃圾填埋場中；②作為水泥原材料[1]；③通過物理或化學方法分離出重金屬[2]；④熱處理。其中填埋處理和水泥混合材料使用存在重金屬二次污染的風險，物理化學處理方法從粉煤灰中分離重金屬也可能需要額外添加其他成分。所以，需要對粉煤灰的應用方面進行更多的研究。

粉煤灰呈灰褐色，外觀類似水泥，粉煤灰顆粒因高溫和表面張力的作用呈球形或微珠狀，直徑在1～200 μm，比表面積大，表面疏松多孔，具有一定的吸附特性。粉煤灰主要含有 SiO2、A12O3、Fe2O，這些成分均為現有摩擦材料中的主要組分材料[3]，這樣看來粉煤灰具有作為摩擦材料組分的潛質。粉煤灰具有均勻的物相組成及穩定的工程特性，它是經過1 200oC的高溫煅燒而形成的。因此，它作為摩擦組分應該會具有良好的熱穩定性。與常見摩擦材料中的金屬組分相比，粉煤灰具有很低的密度(2 000～3 000 kg/m3)，若可用于生產摩擦材料，制得的產品質量較輕。粉煤灰還具有高的比熱(約 800 kJ/kg·K)，這個特性可望能貯存剎車片或離合器面片在使用時的摩擦熱，從而避免其過熱。粉煤灰的這些特性，使其可望成為摩擦材料的組分材料。湯瑞清等[4]對粉煤灰填充樹脂基摩擦材料進行了硬度和抗沖擊強度實驗，分析了不同等級、不同摻量的粉煤灰對摩擦材料硬度及沖擊強度的影響，觀察了其晶相組織，結果表明: 在同等級不同摻量情況下，摩擦材料的硬度隨粉煤灰摻量的增加而增加，在粉煤灰摻量為50%時摩擦材料的硬度達到極大值;摩擦材料的抗沖擊強度隨粉煤灰摻量的增加而下降。Samrat Mohanty等[5]將粉煤灰添加到剎車片復合材料中，發現高溫時粉煤灰熱穩定性較好，摩擦系數穩定且磨損率降低。

研究表明粉煤灰可以作為良好的摩擦材料改性劑[6]，但粉煤灰作為潤滑油添加劑的研究至今無報道。在本文中利用球-盤式摩擦磨損試驗機對粉煤灰粉體作為潤滑油PAO固體添加劑的摩擦特性進行了測試?？疾炝朔勖夯覍櫥湍Σ聊p性能的影響，并通過微觀測試進行進一步研究。

1 試驗部分

1.1 材 料

試驗所使用的粉煤灰購買于匯豐新材料，規格為5 000目。聚α烯烴(PAO)購買于美孚公司，黏度為10。所用試劑購買于國藥公司，均為分析純，且未經過進一步提純；試驗用水為去離子水。摩擦副為鋼/鋼，所用鋼球為蘭州軸承廠生產的二級GCr15 標準鋼球，不銹鋼片(30 mm×30 mm×0.8 mm)使用前依次用丙酮和酒精進行超聲波清洗10 min，用干燥氮氣吹干。

1.2 粉煤灰表征

通過場發射掃描電鏡(SEM，FEI Inspect F50)觀察粉煤灰形貌，通過粒度分析儀(馬爾文 mastersizer3000)測試尺寸大小，X射線熒光光譜儀(XRF，XRF-1800，日本島津制作所)測試粉煤灰的礦物組成。

1.3 摩擦試驗方法

粉煤灰按1 wt%稱取加入到PAO油中進行超聲分散30 min，得到均勻分散的懸浮液體，簡寫為PAO-Fly ash。在中國科學院蘭州化學物理研究所自行研制的摩擦試驗機上分別考察了PAO和PAO-Fly ash的摩擦行為。試驗在室溫下進行，法向載荷分別為5 N。上試樣為3 mm 的AISI-52100鋼球。鋼片上的磨痕通過三維輪廓儀(ADE, USA)和掃描電鏡觀察，通過EDS能譜測試磨痕表面成分。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰表征

圖1顯示了粉煤灰顆粒的形貌。粉煤灰顆粒受到高溫及表面張力的作用大部分呈球形。根據粒度分析儀提供的數據(如圖2所示)，80%的粉煤灰顆粒尺寸在30 μm以下，尺寸小于1μm的約占12%。通過XRF測試可知(如表1所示)，粉煤灰的成分主要是SiO2，Al2O3，Fe2O3的混合物。

表1 粉煤灰成分表 單位：wt%

圖1 粉煤灰SEM圖

圖2 粉煤灰粒徑分布圖

2.2 摩擦磨損性能測試

本文中將粉煤灰作為PAO油添加劑測試其摩擦學性能。測試結果如圖3所示，只使用PAO油作潤滑劑時，在實驗初期摩擦系數有明顯的波動，當加入粉煤灰顆粒后，摩擦系數變得更加穩定。

圖3 PAO油和PAO+Fly ash的摩擦系數

為進一步研究粉煤灰對PAO油抗磨性能的改善，對磨痕表面進行了三維輪廓和SEM分析，結果如圖4所示，從圖4中可以看出PAO+Fly ash經過摩擦實驗后磨痕表面的劃痕變得細而淺，表明粉煤灰的“填充”“隔離”作用改善了磨損表面的形貌。

圖4 摩擦實驗后磨痕的非接觸式三維輪廓圖和截面輪廓圖

2.3 磨損表面和磨屑的微觀形貌分析

圖5為鋼片磨痕表面的SEM圖。在圖5(a)中，磨痕表面沒有明顯的劃痕，但磨痕寬度比PAO+Fly ash寬很多。而有些磨痕區域，如圖5(b)所示，有一些凹坑，這可能是由于經過反復摩擦造成磨痕表面產生磨粒磨損。加入粉煤灰后，結合三維輪廓圖，如圖6所示，磨痕表面出現了O、Si、Al、Ca、Ti、Mg等元素，這些元素都源于粉煤灰。由此可知粉煤灰在摩擦過程中在其表面成膜，從而降低磨損。根據文獻可知粉煤灰是以含SiO2、Al2O3為主的玻璃體，這種玻璃體的硬度、多孔性質應該是其形成良好摩擦膜并改善摩擦磨損性能的本質原因[7]。

圖5 摩擦實驗后鋼片上磨痕的SEM圖

圖6 不同磨痕表面EDXA分析圖

3 結 論

1)摩擦磨損實驗結果表明，用粉煤灰作為PAO油的添加劑，能穩定摩擦系數，減小摩擦系數的波動，降低磨損率，從而有效改善摩擦磨損性能。

2)通過磨痕表面形貌觀察和成分分析可知，粉煤灰在磨痕表面形成了摩擦膜，尺寸較小的粉煤灰顆粒填補磨損表面，減少磨粒磨損。

3)粉煤灰是燃煤電廠排放的廢棄物，只需簡單的分離過程得到顆粒較小的粉煤灰。而且粉煤灰所具有的一些物理化學性能，使其可望成為摩擦材料的組分材料。因此，探索并研究具有摩擦學性能且價格低廉的粉煤灰添加劑具有十分重要的社會意義和經濟效益。

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