机械工程师论文范文：机械活化法在高纯度的2H-WS2纳米片中的作用

第一章文献综述

1.1 二硫化销概述
1.1.1 WS2的晶体结构
WS2是一种具有六方晶系的过渡金属硫化物，其结构与石墨类似，为层状结构，如图1.1所示。石墨由单层碳原子层堆躲而成，层内碳原子之间通过sp2共价键结合，层与层之间则通过范德华力结合。但是与石墨不同，WS2分子层为三明治结构，两层S原子中间夹一层W原子，S—W—S之间为w—s共价键相连，结合力较强，不易断裂；相邻层S—S之间为范德华力相连，结合力较弱，受剪切力时容易断裂，导致层与层之间发生滑移，这也是WS2可以用作固体润滑剂的重要原因。虽然WS2层内原子通过共价键相连，原子外层电子轨道处于饱和的配对状态，没有空位，其化学活性较弱，稳定性很好，但是边缘的原子由于没有足够电子形成共价键，其外层有空余电子轨道，因而活性比较高，容易与外界物质结合形成稳定共价键。
1.1.2 WS2的基本性质
二硫化鹤是鹤和硫的化合物，分子式为WS2，其基本物理性质如表1-2所示。WS2化学性质稳定，不溶于水和有机溶剂，不与酸碱发生反应（浓硝酸与氧氟酸的混合液除外）。WS2还具有很好的耐热性和耐氧化性，在空气中即使在50(rc的工作环境下WS2的摩擦系数依然比较低，在氩气等保护性气氛下WS2在更高的温度下依然有着很低的摩擦系数。WS2在空气中温度高于425°C时，会缓慢的发生氧化，并在表面形成一层致密的W03保护层以抑制WS2继续发生氧化反应，并且W03的摩擦系数也很低，可以继续发挥润滑作用，以保护金属摩擦表面不会发生胶合。WS2在真空中(lO-lOmmHg)直到11KTC都非常稳定，当温度超过140rC时WS2才会发生分解。

1.2 二硫化铭的主要应用
WS2具有极好的润滑作用，早在二十世纪六十年代美国即将WS2用作太空飞船的润滑剂。而后在航空航天和国防工业等领域，这种高性能的固体润滑剂慢慢被应用到工业生产中。由于其应用行业的技术保密和封锁等原因，直到1984年这一性能优良的固体润滑剂才被引入到一般工业领域中。随着纳米技术的发展，近几年来国内外对纳米尺度WS2进行了大量研究，发现其在许多方面具有优异性能，应用前景非常广泛。目前，WS2的应用主要表现在如下几点。
1.2.1固体润滑剂
由于WS2特殊的层状结构，在剪切力作用下层与层之间极易发生滑移，因而WS2可以用作性能优异的固体润滑材料。WS2在常温下摩擦系数很低[5] (0.08左右），抗压强度能达到2100MPa,具有很好的极压性能和抗氧化性能，在425°C以下能长期稳定润滑。WS2族内部在某些特定的排列方式下可以产生磁性，因而其在润滑过程中可以很好的吸附在摩擦金属表面，进而形成一层纳米保护润滑膜，以此可以降低磨损面积，保护金属表面。此外，WS2不仅在一般的工作条件下具有很好的润滑效果，其在高温、高压、高负荷、高真空、有福射及腐烛性介质的摩擦环境中也能发挥出良好的润滑效果。近年来，随着人们对空心富勒稀结构WS2研究的加深，发现其能变滑动摩擦为滚动摩擦，大大降低摩擦系数，因而这种新型纳米WS2材料优异润滑性能越来越多的收到人们的关注。
1.2.2自润滑涂层
WS2纳米颗粒可以最为添加剂添加到合金元素中制备具有自润滑特性的材料，或者与其他材料混合制成薄膜镀在金属表面来提高其耐磨性能。比如在上世纪80年代，美国有人在金属表面喷附纳米WS2粒子，形成了一层WS2润滑膜，大大降低了金属间的摩擦系数，提高了磨具的耐磨性能，大幅延长了磨具的使用寿命[6]。朱丽娜等[7]以高纯的薄片为原料，经过两步反应，在钢表面获得了一层厚度左右的32薄膜，大大降低了钢片间的摩擦系数和磨损层深度。GiliRSamorodnitzky-Naveh等用电沉积的方法在NiTi合金表面镀上了一层Co和IF-WS2的复合涂层，使其摩擦系数降低了 66%。
1.2.3润滑油（脂）添加剂
纳米WS2是非常好的润滑油（脂）极压添加剂。以色列科学家R. Terme领导的研究小组首先制得了富勒稀结构的WS2，并将其作为添加剂添加到润滑油中检测润滑性能[9],结果表明添加了无机类富勒烯结构的纳米WS2粒子以后，润滑油的润滑性能得到了极大的提升。然后人们对WS2作为润滑油（脂）添加剂展幵了更多的研究，研究表明，纳米级的WS2颗粒在润滑油（脂）中有良好的分散稳定性，这种添加了纳米WS2颗粒的润滑剂既有流体润滑的良好摩擦性能，又具有固体润滑承载能力强的优点。若将适量的纳米WS2颗粒添加到润滑油（月旨）中，润滑油（脂）的润滑性能将会得到极大的改善，其摩擦系数可降低20%?50%，油膜强度能提高30%~40%，由此可见纳米WS2的润滑性能远远好于纳米MoS2颗粒和石墨[2]。纳米WS2作为高性能的润滑油（脂）极压添加剂，有着非常广阔的应用前景。
1.2.4催化剂
由于WS2内部的特殊层状结构，片层的表面和暴露的边缘化学活性比较高，容易发生化学反应，可用于制备高效的催化剂。WS2裂解性能良好，以其为活性成分制成用作催化剂性能稳定可靠，且可以循环使用，催化寿命较长，因而受到石油化工企业的广泛关注，常被用来制备高效的加氢脱硫催化剂，此外还应用于重整、聚合、脱水、水化、轻基化等过程的催化。在无机功能材料的制备领域中，WS2也是性能优良的催化剂。单分子层的二维纳米WS2材料，可以按照人们的需求重新排列堆叠，形成具有内部空间的新型材料。并且在重新排列组合的过程中，可以在层间或者颗粒内部插入其他添加元素或物质，获得复合催化剂或者超导材料。颗粒内部有巨大的空间和内表面积，活性促进剂容易夹杂其中，这有益于制备新型高效催化剂。日本名古屋工业研究所经过研究发现，在还原C02制备CO的实验过程中，WS2可以起到极大的催化作用，这将对碳循环利用技术的发展以减缓全球变暖的趋势都将起到极大的促进作用。
  
  1.3 二硫化钨的制备工艺 1....................2-15
    1.4 纳米润滑油添加剂概述 ....................15-19
    1.5 加氢脱氧催化剂概述 ....................19-23
    1.6 本课题选题意义和研究内容 ....................23-24
第二章 实验方案与方法 ....................24-30
    2.1 实验流程图 ....................24
    2.2 实验原料与设备 ....................24-26
    2.3 WS_2纳米片的制备 ....................26-27
    2.4 WS_2摩擦学性能检测 ....................27-28
    2.5 WS_2加氢脱氧催化性能检测 ....................28-30
第三章 WS_2纳米片的制备及其表征 ....................30-41
    3.1 WS_2纳米片的形貌与表征.................... 30-35
    3.2 NI-WS_2表征 ....................35-39
    3.3 WS_2反应机理分析 ....................39-40
    3.4 本章小结 ....................40-41
第四章 WS_2的摩擦学性能研究 ....................41-54
    4.1 WS_2在润滑油中的分散机理 ....................41-45
    4.2 WS_2作为润滑油添加剂的减摩性能 ....................45-48
    4.3 WS_2作为润滑油添加剂抗磨性能 ....................48-50
    4.4 WS_2作为润滑油添加剂极压性能 ....................50-53
    4.5 WS_2作为润滑油添加剂的摩擦机理 ....................53
    4.6 本章小结 ....................53-54
第五章 WS_2加氢脱氧催化性能研究 ....................54-58
    5.1 WS_2状态对加氢脱氧催化性能的影响 ....................54-55
    5.2 NI助剂添加对WS_2加氢脱氧性能的影响 ....................55-56
    5.3 不同硫化温度对NI-WS_2加氢脱氧催化性能的影响 .............56-57
    5.4 本章小结 ....................57-58

结论

本文以W03和S为原料，采用机械活化法成功制的了 ws2纳米片，采用XRD、SEM、TEM等手段分析其表征，然后将WS2作为润滑油添加剂研究其摩擦学性能，并对WS2及Ni-WS2纳米片加氢脱氧催化性能进行初步探索。主要结论可以归纳如下：
(1)以W03和S为原料，采用机械活化然后加热的方法制得了高纯度的2H-WS2纳米片，薄片厚度在30nm左右。对自制WS2纳米片进行球磨及退火处理，得到了均匀的六边形WS2纳米片，尺寸在130-150 nm范围。探讨了硫化温度和保温时间对WS2纳米片形貌的影响，并探究”82硫化和自主装过程及可能的反应机理。
(2)以W03、S和Ni(N03)r6H20为原料，采用机械活化法制得了硫化完全的Ni-WS2纳米片，尺寸在100-200 nm范围。结果表明，W03和Ni(N03)2摩尔比为3: 1时，在较低的反应温度(600°C)下Ni的硫化产物为NiS2，在较高的温度（700°C、840°C)下Ni的硫化产物为NiS; W03和Ni(N03)2摩尔比为5： 1时，较低温度下Ni在产物中即以NiS的形式存在。
(3)润滑油中添加WS2纳米片可以有效提高减摩抗磨性能和极压性能，且随着WS2添加量的增加，润滑油的抗磨减摩性能和极压性能也会提高。但是提高硫化温度会降低润滑油的润滑和抗磨性能，而对WS2进行球磨、退火等后续处理会也会降低润滑油的减摩抗磨及极压性能。实验结果表明添加2对％的WS2(60TC保温15min制得)基础油的综合摩擦学性能最好。结合摩擦数据和相关文献，探究了可能的摩擦学机理。

参考文献

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