[发明专利]一种利用C60包合物制备的纳米流体切削液及制备方法

说明书

本发明公开了一种利用C₆₀包合物制备的纳米流体切削液及制备方法，由以下质量分数的原料制得：内嵌润滑添加剂的C₆₀包合物0.5‑1％，油酸乙二醇酯0.5‑1.5％，OP‑10 0.3％，十二烷基硫酸钠0.3％，三乙醇胺0.5％，均三嗪杀菌剂0.3％，二甲基硅油0.5％，其余为去离子水；内嵌润滑添加剂的C₆₀包合物为由润滑添加剂填充到经开笼处理的C₆₀的空腔所形成的复合材料，其主体成分为C₆₀，C₆₀的分子直径为0.6‑0.8nm，其内嵌的润滑添加剂为二烃基五硫化物，油酸，油酸乙二醇酯，硫化异丁烯，二硫化苄或磷酸三乙酯中的一种，利用C₆₀包合物制备的纳米流体切削液，不仅具有良好导热能力和较好的减摩，抗磨和极压性能，还具有较低的表面张力和较强的渗透性，可使切削区域获得更好的冷却与润滑效果。

技术领域

本发明涉及切削加工技术领域，尤其涉及一种利用C₆₀包合物制备的纳米流体切削液及制备方法。

背景技术

切削是机械制造中最主要的加工方法。现代制造技术在效率、质量、环保方面的要求越来越高，在某些加工场合(如高速切削、微切削、难加工材料切削)，正确的选择冷却与润滑方法，以改善刀具或工件摩擦状态和抑制刀具磨损，提高加工质量和加工效率，成为切削工艺设计时必须考虑的关键因素。切削液主要由基础液和油性剂、极压剂、乳化剂和防锈剂等成分组成，具有冷却、润滑和清洗等功能。有调查表明，在零件加工的成本中，切削液的费用占7～17％，而刀具的成本仅占2～4％。切削液中使用的各种有害添加剂(如含硫、磷、氯的极压剂)，造成了环境污染，资源消耗，危害人员健康等诸多问题。因此，研发高效润滑添加剂和新型绿色切削液，并建立起相应的切削工艺，对于提高制造效率、降低制造成本、减少环境污染等具有普遍性的意义。

近年来，随着纳米技术的快速发展，研究人员开始探索将纳米级的超细微粒 (粒径在1-100nm之间)添加到基础液中制备一种纳米流体，研究新型的高效冷却与润滑技术。由于纳米微粒的表面积和热容量大，且具有较好的导热性，因此与普通切削液相比，纳米流体切削液具有更好的热交换性能，从而起到更好的强化换热、降低切削区温度的作用。此外，纳米微粒还具有较好的减摩抗磨特性，可以进一步提高切削液的润滑性能。目前，用于制备纳米流体切削液的纳米微粒的种类很多，常见如MoS₂，SiO₂，Al₂O₃，TiO₂等固体润滑剂微粒以及各种纳米碳微粒，如石墨，金刚石，碳纳米管，富勒烯-C₆₀(C₆₀)等。

碳纳米微粒的导热性能好且本身具有一定的润滑性能，是制备纳米流体切削液的理想材料。有国外研究表明，采用添加了纳米洋葱(主要成分C₆₀)的油基纳米流体切削液，可使切削力减少21.99％，表面粗糙度提高46.32％。C₆₀球形纳米粒子可以在切削区域有效发挥滚动“微轴承”效应，因而具有较好的减摩、抗磨作用。但是，用纯C₆₀微粒作为纳米流体切削液的添加剂尚存在不足，主要表现在以下几个方面：(a)C₆₀微粒表面没有活性化学基团或元素，在剧烈的摩擦条件下，无法生成润滑油膜，或与金属生成化学反应膜起有效的润滑作用，因而在高速，重负荷切削工况下的承载能力不强，限制了其在切削加工领域的应用。(b)纳米流体具有巨大的界面能，且C₆₀表面是相对惰性的，在水基/油基切削液中的分散度低、容易团聚，从而影响纳米流体的导热性能。(c)C₆₀在基础液 (水、油)中几乎没有溶解性，不能随基础液一起渗入切削区域有效发挥作用。切削液可通过毛细管作用渗入切削区域，以水基切削液为例，水的渗透性好，比热大，是作为冷却剂的最好物质，如能将部分C₆₀微粒溶解在水中，并随水一起渗入切削区域，将能更加有效地发挥作用。因此，为了更好地解决上述问题，需对C₆₀纳米微粒进行外部修饰和内部填充，以使其在切削加工领域具有更加广泛的应用。