石墨烯薄膜对GCr15轴承钢表面导热特性的影响

张丽秀,腾 达,吴玉厚2,,王丽艳

(1.沈阳建筑大学分析与检测技术研究中心,辽宁 沈阳 110168;2.沈阳建筑大学高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁 沈阳 110168;3.沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁 沈阳 110168)

旋转机械摩擦生热直接影响机械的运转精度并降低寿命。 在润滑液中加入纳米颗粒能够进入摩擦副形成润滑层,使两摩擦表面不直接接触,并有效改善摩擦区的热学性能、摩擦学性能、抗磨特性及极压特性[1-6]。石墨烯除良好的润滑性能外,其优异的导热性能也不容忽视。石墨烯纳米片层结构超低的界面热阻使其能够提高材料的散热性能,单层石墨烯热导率可达到5 300 W/(m·K)。将石墨烯作为填料制备导热散热涂层,涂层热导率可显著提高,从而有效降低基体温度,增加基体散热[7]。石墨烯界面通过Mo和C原子之间的强共价键连接,可以改善二维MoS2面内热导。同时,石墨烯的沉积层可以显著提高铜膜的导热性[8]。关于石墨烯在轴承润滑应用近年来开始增多,对于石墨烯薄膜在轴承中的导热作用还较少涉及。笔者以分子动力学模拟和实验两种方法,研究不同温度下附着试件的热导率,并探究石墨烯对试件表面热传导的影响。

1 分子动力学模拟

1.1 计算模型

以现有Materials Studio软件构建计算晶胞(见图1)。设置石墨烯声子平均自由程为1.511～0.906 nm[9],石墨烯模型如图1(a)所示。图1(b)为试件模型,OA为10 nm,OB为4 nm,OC为3 nm。图1(c)为附着试件模型,O′A′为10 nm,O′B′为4 nm、O′C′为4 nm。

图1 分子动力学模型

1.2 热导率计算原理

以非平衡态(NEMD)方法[10]计算初始热导率。在物理场耦合下,形成高温区、低温区和热量交换区。选择适量热交换区层数控制温度梯度。图2为温度梯度划分。

图2 温度梯度划分

热导率由傅里叶定律计算:

(1)

热流密度为模拟过程中的热通量。

(2)

式中:Q为粒子交换总动能,J;S为热流方向的截面面积,m2;t为时间,s.

模型共20层,各层温度为[11]

(3)

式中:Ek为该层原子的平均动能,J;N为层内原子总数;Kb为Boltzmann常数。

温度梯度为

(4)

式中:Ti+1为第i+1层的温度;Ti为第i层的温度;xi+1为第i+1层的位置坐标;xi为第i层的位置坐标。

1.3 分子动力学模拟方法及过程

热导率计算过程如图3所示。

图3 计算过程

应用Materials Studio模拟软件Forcite模块,选择最速下降法及共轭梯度法优化模型,获得能量最低时原子位置坐标[12],在NVT系综[13]下做动力学弛豫后,执行热导率计算。

1.4 分子动力学结果及分析

图4为模型沿OA的温度分布。模型低温区与高温区之间温度分布为线性,因此应用Fourier定律计算热导率可行[14]。

图4 模型沿OA的温度分布

图5为石墨烯薄膜对样品的热导率影响曲线。从图中可知,石墨烯对热导率提升效果不受温度影响。

图5 石墨烯薄膜对试件热导率影响

2 实 验

2.1 实验仪器及材料

图6为扫描电子显微镜下的石墨烯SEM。导热系数实验样件材料为GCr15轴承钢、直径为12.5 mm、厚度为5 mm。图7为摩擦试件。利用激光导热仪分别测试图7中未附着石墨烯和附着石墨烯试件热扩散系数。

图6 石墨烯SEM

图7 摩擦试件

实验试件为直径50 mm,厚度为5 mm的GCr15轴承钢圆盘,直径为9.5 mm的Si3N4陶瓷球。图8为制备试件。摩擦实验在Rtec多功能摩擦磨损试验机上完成,同时采用FLIRA615红外热像仪检测试件温升。图9为薄膜拉曼光谱。

图8 制备试件

图9 薄膜拉曼光谱

2.2 实验方案

2.2.1 热扩散实验

热扩散测试实验原理如图10所示。热扩散系数测试仪器为LFA467耐驰激光导热仪,导热率κ与扩散系数关系为

图10 热扩散测试示意图

(5)

式中:C为比热容,J/(g·K);ρ为密度,g/cm3;α为热扩散系数,m2/s。

2.2.2 摩擦实验

摩擦实验时,设置转速为1 500 r/min,载荷为80 N。分别将图8中3种圆盘与陶瓷球形成摩擦副,记录磨痕处及距磨痕15 mm处试件温升数据。

2.3 实验结果

2.3.1 热扩散实验结果

图11为石墨烯垂直方向热扩散系数。试件的热扩散系数随温度升高逐渐降低,且附着石墨烯后,试件热扩散系数提高,表明石墨烯附着层提高了试件的热扩散性能。

图11 石墨烯垂直方向热扩散系数

图12为石墨烯垂直方向热导率。从图中可以看出,基体附着石墨烯后可以降低沿垂直方向的热导率,这有助于减少热量向基体内部的传导。

图12 石墨烯垂直方向热导率

2.3.2 摩擦实验结果

将图8中GCr15轴承钢试件与Si3N4陶瓷球组成摩擦副进行摩擦实验。图13为摩擦5 min时的温度场。对比图13可知,磨痕处附着石墨烯时,石墨烯可以减少摩擦生热,且对比图13(b)与图13(c)可知,试件表面完全附着石墨烯时,石墨烯的导热特性降低了磨痕处热量沉积。

图13 摩擦5 min时的温度场

图14为图8中3种试件摩擦实验的温度,其中图14(a)为磨痕处温度,图14(b)为距离磨痕15 mm处温度。

图14 摩擦实验的温度

从图14(a)可以看出,石墨烯附着层可明显降低磨痕位置温度,且加快了温度场的平衡时间。由图14(b)可知,当摩擦时间在0～100 s时,石墨烯附着层对温度影响小。当摩擦时间大于100 s时石墨烯附着层对温度的影响显著,但在480 s时,因石墨烯附着层失效而使温度突然升高。

3 实验结果分析

为分析石墨烯附着层对摩擦副温度场的影响,需要从石墨烯附着层的散热、导热能力及润滑能力等多角度分析。分析石墨烯附着层对摩擦副比热容的影响。图15为根据式(4)计算出的附着石墨烯前后试件的比热容。从图中可以看出,石墨烯附着层降低了试件的比热容,相同热量条件下,附着石墨烯层的试件表面温度不易升高。

图15 试件的比热容

取转速100 r/min、载荷80 N条件下实验数据,分析石墨烯附着层对散热方向影响。图16为测点分布示意图。图中测点1处无石墨烯附着层,测点2为摩擦点,测点3为附着层边缘,测点4为测点2与测点3间中点。

图16 测点分布示意图

石墨烯对摩擦副表面的润滑效果,导致摩擦生热量减少。图17为摩擦实验测得摩擦副摩擦系数。从图中可以看出,石墨烯附着层可以大大降低摩擦表面的摩擦系数。但在摩擦中期至后期,因石墨烯附着层的失效脱落,摩擦系数增加。这也是此阶段温度升高的主要原因。

图17 摩擦副摩擦系数

图18为测点1、3、4相对于测点2温差。从图中可以看出,在0～6 min的摩擦初期,各测点相对于测点2的温差逐渐上升,但此阶段有石墨烯附着层时,各测点相对于测点2的温差更大,说明因石墨烯的导热性能,使得热量加速沿着水平方向传导[15-16]。在6～20min的摩擦阶段,各测点相对于测点2的温差基本保持不变,且无石墨烯附着层的温差更大。这是由于在此阶段,温度场达到热平衡状态,无石墨烯附着层的热量散失缓慢。

图18 测点1、3、4相对于测点2温差

4 结 论

(1)温度对石墨烯附着层热导率影响微弱。若提高石墨烯附着层对摩擦副的降温作用,需保证附着层连续性及附着面积。

(2)石墨烯附着层沿着摩擦副表面水平方向的热传导能力大于垂直方向,这有助于热量从摩擦处向周围扩散,减少热量在摩擦处沉积,可利用润滑油将热量带走。