蛇纹石矿物减摩自修复材料的制备与摩擦学性能

本书全面系统地介绍了以蛇纹石为代表的天然层状硅酸盐矿物减摩自修复材料的摩擦学性能与机理。主要内容包括：天然蛇纹石矿物粉体材料的细化加工、理化性质与表面有机改性，不同摩擦条件下蛇纹石矿物对不同摩擦材料的减摩润滑及自修复行为与机理，天然蛇纹石矿物与人工合成纳米蛇纹石粉体的性能对比，以及矿物减摩自修复材料的工业实际应用。
本书对层状硅酸盐矿物减摩自修复材料的进一步研究和推广应用具有指导意义和参考价值，可供摩擦学、表面工程、材料科学与工程等专业技术领域，以及机械设备运行与管理、润滑节能材料开发与应用等领域的工程技术人员和生产管理人员，高等院校及研究院所开展相关领域研究或教学人员参考使用。

1.蛇纹石等天然矿物作为新型自修复材料，有望成为传统润滑添加剂的替代品。
2.蛇纹石相关性能研究是当前摩擦学、表面工程和智能自愈材料研究领域的前沿热点之一，涉及节能减排和资源节约，符合国家绿色发展战略，具有重要的学术价值和工程意义。
3. 本书侧重于应用基础研究，内容主要来自作者与所在团队近年来多个国家、国防项目的众多研究成果。
4.书中内容对层状硅酸盐矿物减摩自修复材料的进一步研究和推广应用具有指导意义和参考价值。

摩擦磨损是造成机械设备失效和资源能源消耗的主要原因。一方面，我国机动车保有量巨大，发动机等动力装置因摩擦磨损而导致的油耗和排放大幅升高，加速了能源消耗和环境污染；另一方面，冶金、化工、电力、水利、轨道交通、航空航天、海洋、国防等领域重大装备磨损问题严重、能耗水平居高不下，严重影响机械系统的运行效率、可靠性和使用寿命。合理的润滑是降低摩擦、减少磨损的最有效途径。在全球资源和能源日益短缺，环保压力逐渐增大的背景下，世界各国都在竞相研发集减摩、抗磨和修复功能于一体的新型润滑材料和智能自修复技术，以实现延长设备使用寿命和节能减排的目的。
以蛇纹石为代表的天然层状硅酸盐矿物粉体材料由镁氧八面体层（Octahedral layer）和硅氧四面体层（Tetrahedral layer）以T—O或T—O—T结构组成，具有独特的亚稳态晶体结构和优异的摩擦表界面反应活性。以润滑油（脂）为载体进入摩擦表界面后，层状硅酸盐矿物可在摩擦机械效应和摩擦热效应作用下发生脱水反应和解理断裂，释放大量的活性含氧基团和陶瓷相颗粒，从而在金属磨损表面形成具有良好减摩润滑性能的颗粒增强氧化物复合自修复膜，实现摩擦损伤原位动态自修复的同时，强化表面力学性能，降低摩擦能耗和污染物排放，延长设备使用寿命。由于储量丰富，细化和提纯工艺简单，以及环境友好性突出，蛇纹石等天然矿物作为新型自修复材料有望成为传统润滑添加剂的替代品，相关研究是当前摩擦学、表面工程和智能自愈材料研究领域的前沿热点之一，涉及节能减排和资源节约，符合国家绿色发展战略，具有重要的学术价值和工程意义。
本书侧重于应用基础研究，内容主要来自作者与所在团队近年来的最新研究成果，并尽可能吸收了本领域同行学者的研究精华。作者希望通过本书向广大读者介绍蛇纹石矿物减摩自修复材料的技术原理、研究现状、摩擦学行为、自修复性能与作用机理，以期更多专家、学者和工程技术人员了解层状硅酸盐矿物自修复材料的特点及应用效果，并推动该材料的深入研究及推广应用，为实现国家“碳达峰”“碳中和”目标贡献力量。
全书共分6章，第1章介绍了智能自修复材料的概念内涵、蛇纹石矿物的晶体结构特征及摩擦学性能研究进展；第2章介绍了蛇纹石矿物粉体的制备工艺、粉体理化性质、表面改性方法，以及粉体细化、改性与分散的一体化处理等有关矿物减摩自修复材料制备方面的内容；第3章介绍了不同摩擦条件下蛇纹石矿物自修复材料的性能，包括含蛇纹石矿物粉体在润滑油作用下钢/钢摩擦副在点接触/往复滑动、线接触/旋转滑动、面接触/往复滑动、面接触/旋转滑动等多种运动模式下的摩擦学行为与机理，以及蛇纹石矿物在铁基摩擦表面形成的自修复膜的力学特征与摩擦学性能；第4章介绍了蛇纹石矿物减摩自修复材料润滑下，铜合金、铝合金、钛合金和镁合金等不同摩擦材料与钢配副时的摩擦学行为及矿物的减摩自修复机理；第5章介绍了水热合成法制备纳米蛇纹石粉体的合成工艺与粉体表面改性过程，合成纳米蛇纹石粉体与天然蛇纹石矿物粉体的摩擦学行为及减摩自修复性能对比，以及两种粉体材料的减摩润滑与自修复作用机理；第6章围绕典型机械零部件模拟台架试验或实车考核试验，以机械设备轴承、齿轮箱以及火炮身管等为应用对象，介绍了蛇纹石矿物材料对机械摩擦表面减摩润滑及损伤自修复的实际应用效果。
本书由徐滨士院士指导，于鹤龙负责组织撰写，各章编写人员为：第1章，于鹤龙、张伟、白志民、张保森；第2章，许一、张保森、于鹤龙、张伟、赵阳；第3章，于鹤龙、张保森、许一、王红美；第4章，于鹤龙、尹艳丽、吉小超、魏敏、王思捷；第5章，许一、高飞、周新远、宋占永、赵海潮；第6章，许一、张保森、史佩京、于鹤龙、赵春锋。全书由于鹤龙和尹艳丽统稿。
本书的顺利出版得益于国家自然科学基金项目“硅酸盐矿物/铁基复合涂层的自修复反应活性调控及其摩擦学行为与机理”（52075544）、“软金属/类陶瓷复合自修复膜的摩擦原位制备、主动控制与机理”（51005243）、“亚稳态硅酸盐/金属复合材料的制备及自修复行为与机理研究”（50904072）、“金属基体上原位形成摩擦修复膜的优化设计与机理研究”（50805146），国家重点研发计划课题“重大装备用矿物减摩修复材料制备技术及应用示范”（2017YFB0310703），以及装备预研领域基金重点项目“涂层自修复强化机理研究”（61400040404）等国家和国防项目的资助，在此表示衷心感谢。书中参考了大量国内外文献，谨向相关文献的作者表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，对有些试验现象尚未给出深入全面的解释，对此深感遗憾。对于书中的疏漏与不足之处，恳请广大读者和专家提出宝贵意见和建议。

著者
2022年7月

第1章 绪论
1.1智能自修复材料1
1.1.1智能自修复材料概述1
1.1.2金属基自修复材料2
1.1.3磨损自修复材料5
1.2蛇纹石矿物的晶体结构及表面活性基团8
1.2.1层状硅酸盐矿物的结构特征8
1.2.2蛇纹石矿物的晶体结构11
1.2.3蛇纹石矿物粉体的表面活性基团13
1.3蛇纹石矿物润滑材料的摩擦学性能研究进展15
1.3.1蛇纹石矿物的摩擦学性能研究概述15
1.3.2含蛇纹石矿物润滑油（脂）的摩擦学性能研究16
1.3.3含蛇纹石矿物复合材料的摩擦学性能研究19
1.3.4蛇纹石矿物的减摩润滑及自修复机理研究20
参考文献24

第2章螺纹石矿物粉体的制备与表面改性处理
2.1概述31
2.2蛇纹石矿物粉体的制备32
2.2.1原料及制备工艺32
2.2.2研磨工艺对粉体形态的影响34
2.2.3表面活性剂对粉体形态的影响37
2.3蛇纹石矿物粉体的理化性质40
2.3.1对金属离子的吸附特性40
2.3.2热相变机理分析41
2.3.3纳米氧化镧对蛇纹石粉体热相变的影响45
2.3.4蛇纹石矿物粉体的比表面积51
2.4蛇纹石矿物粉体的表面改性52
2.4.1改性工艺与评价方法53
2.4.2表面改性效果的影响因素55
2.4.3表面改性效果评价57
2.4.4表面改性机理61
2.5蛇纹石矿物粉体细化、改性与分散的一体化处理63
2.5.1粉体粒度分布的影响因素63
2.5.2一体化处理的效果评价66
2.5.3矿物粉体的分散稳定机制68
参考文献70

第3章 不同摩擦条件下蛇纹石矿物自修复材料的性能
3.1概述72
3.2蛇纹石矿物的点接触/往复滑动摩擦学性能73
3.2.1摩擦学试验方法73
3.2.2蛇纹石矿物含量对其摩擦学性能的影响74
3.2.3载荷对蛇纹石矿物摩擦学性能的影响76
3.2.4摩擦表面分析78
3.3蛇纹石矿物的线接触/旋转滑动摩擦学性能82
3.3.1摩擦学试验方法82
3.3.2载荷与蛇纹石矿物含量对其摩擦学性能的影响82
3.3.3滑动时间对蛇纹石矿物摩擦学性能的影响84
3.3.4摩擦表面分析87
3.4蛇纹石矿物的面接触/往复滑动摩擦学性能89
3.4.1摩擦学试验方法89
3.4.2摩擦学性能90
3.4.3摩擦表界面分析91
3.5蛇纹石矿物的面接触/旋转滑动摩擦学性能96
3.5.1摩擦学试验方法96
3.5.2摩擦学性能96
3.5.3摩擦表面分析98
3.6摩擦表面自修复膜的力学特征与摩擦学性能100
3.6.1摩擦学试验方法100
3.6.2变载/变速条件下蛇纹石矿物的摩擦学性能102
3.6.3摩擦表面分析102
3.6.4自修复膜的力学性能105
3.6.5Stribeck曲线108
3.7蛇纹石矿物对铁基摩擦表面的减摩自修复机理109
参考文献110

第4章 蛇纹石矿物对不同摩擦材料的减摩自修复行为
4.1概述114
4.2蛇纹石矿物对铜合金/钢摩擦副的减摩自修复行为115
4.2.1摩擦学试验材料与方法115
4.2.2摩擦学性能116
4.2.3摩擦表面分析119
4.2.4蛇纹石矿物对铜合金的减摩自修复机理125
4.3蛇纹石矿物对铝合金/钢摩擦副的减摩自修复行为129
4.3.1摩擦学试验材料与方法129
4.3.2摩擦学性能130
4.3.3摩擦表面分析134
4.3.4蛇纹石矿物对铝合金的减摩润滑机理137
4.4蛇纹石矿物对钛合金/钢摩擦副的减摩自修复行为139
4.4.1摩擦学试验材料与方法139
4.4.2摩擦学性能140
4.4.3摩擦表面分析143
4.4.4蛇纹石矿物对钛合金的减摩润滑机理149
4.5蛇纹石矿物对镁合金/钢摩擦副的减摩自修复行为151
4.5.1摩擦学试验材料与方法151
4.5.2摩擦学性能151
4.5.3摩擦表面分析153
4.5.4蛇纹石矿物对镁合金的减摩润滑机理160
参考文献162

第5章纳米蛇纹石的合成及其与天然蛇纹石矿物的性能对比
5.1概述167
5.2纳米蛇纹石粉体的合成167
5.2.1材料与方法167
5.2.2纳米蛇纹石粉体合成工艺优化168
5.2.3纳米蛇纹石粉体的长大机制172
5.3合成纳米蛇纹石粉体的表面改性174
5.3.1纳米蛇纹石粉体的原位表面改性174
5.3.2原位表面改性和二次表面改性复合177
5.4合成纳米蛇纹石与天然蛇纹石矿物的性能对比179
5.4.1纳米蛇纹石与蛇纹石矿物的摩擦学性能179
5.4.2天然蛇纹石矿物的减摩自修复行为181
5.4.3合成纳米蛇纹石粉体的减摩自修复行为191
5.5天然蛇纹石矿物与合成蛇纹石纳米粉体的减摩润滑机理199
参考文献202

第6章 蛇纹石矿物减摩自修复材料性能的摩擦学应用考核
6.1概述205
6.2蛇纹石矿物减摩自修复材料在滚动轴承台架中的应用205
6.2.1材料与方法205
6.2.2蛇纹石矿物材料对轴承振动及游隙的影响207
6.2.3蛇纹石矿物对轴承内圈滚道粗糙度及圆度的影响208
6.2.4轴承滚子及内圈滚道的宏观形貌209
6.2.5轴承滚子微观形貌及成分212
6.3蛇纹石矿物减摩自修复材料在减速机齿轮箱中的应用213
6.3.1冷床链子减速机齿轮箱中应用213
6.3.2皮带减速机齿轮箱中应用214
6.4蛇纹石矿物减摩自修复材料在火炮身管内壁中的应用216
6.4.1材料与方法216
6.4.2自修复效果217
参考文献219