Synergistische Leistungsbewertung von MoS2

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12559 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie wurden MoS2-hBN-Hybridnanopartikel mithilfe einer fortschrittlichen Mikrowellenplattform für neue Nanoschmiermittelformulierungen synthetisiert. Die synthetisierten Nanopartikel wurden durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie, Röntgenbeugung und Raman-Spektroskopie charakterisiert. Die Hybrid-Nanopartikel wurden dann in ein 20W40-Motorenöl auf Dieselbasis eingebracht, um ein Nanoschmiermittel herzustellen. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Nanoschmierstoffs wurden untersucht, einschließlich Viskositätsindex, Stabilität, Flüchtigkeit, tribologische Eigenschaften, Oxidationseigenschaften und Wärmeleitfähigkeit. Die Ergebnisse zeigten, dass der Einschluss von 0,05 Gew.-% MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln in das Öl den Reibungskoeffizienten und den Verschleißnarbendurchmesser deutlich um 68,48 % bzw. 35,54 % reduzierte. Darüber hinaus zeigte es eine erhebliche Verbesserung der Oxidation und Wärmeleitfähigkeit von 38,76 % bzw. 28,30 % bei 100 °C. Diese Ergebnisse belegen das Potenzial von MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln als wirksames Additiv zur deutlichen Verbesserung der Eigenschaften von Nanoschmiermitteln. Darüber hinaus bietet diese Studie wertvolle Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen, die für die beobachteten Verbesserungen verantwortlich sind. Die vielversprechenden Ergebnisse dieser Untersuchung tragen zur Weiterentwicklung nanotechnologiebasierter Schmierstoffe bei und zeigen deren Potenzial zur Verbesserung der Motoreffizienz und zur Verlängerung der Lebensdauer von Maschinen.

Der Transport trägt wesentlich zum weltweiten Energieverbrauch und den Treibhausgasemissionen bei, die den Klimawandel und die globale Erwärmung vorantreiben. Ein erheblicher Teil der beim Transport verbrauchten Energie wird zur Überwindung von Reibung und Verschleiß in den beweglichen Teilen eines Fahrzeugs verwendet, was zu erheblichen Energieverlusten und Umweltauswirkungen führt1,2. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Reibung zu reduzieren und sicherzustellen, dass die mechanischen Elemente der Systeme verschleißfest sind3. Die Schmierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Erreichung dieser Ziele, indem sie Reibung und Verschleiß reduziert, Energie spart, Emissionen reduziert und die Lebensdauer von Komponenten verlängert. In Gegenwart eines Schmiermittels bildet sich ein Gleitfilm, der die Reibung, den Verschleiß und die Abnutzung zwischen den Passflächen deutlich reduziert4,5,6. Die Maschinenschmierung hängt stark von den tribologischen Eigenschaften der Schmiermedien ab. Herkömmliche Schmierstoffe stoßen jedoch an Grenzen, wenn es darum geht, den steigenden Anforderungen an Hochleistungsschmierung unter extremen Bedingungen gerecht zu werden und gleichzeitig umweltfreundlich zu sein7,8,9.

Jüngste Fortschritte bei Nanomaterialien haben den Weg für die Entwicklung von Nanoschmierstoffen geebnet, die im Nanomaßstab entwickelt wurden, um eine verbesserte tribologische Motorleistung, Öleigenschaften und Kraftstoffeffizienz zu erzielen10,11. Nanoschmierstoffe haben sich als vielversprechende Lösung zur Bewältigung der Nachhaltigkeitsherausforderungen im Transportwesen herausgestellt, indem sie den Energieverbrauch senken, den Verschleiß minimieren und die Emissionen senken. Um die tribologischen, thermischen und oxidativen Eigenschaften des Motoröls SAE 20W40 weiter zu verbessern, untersucht diese Studie die synergistische Wirkung eines Hybrids aus Molybdändisulfid (MoS2) und hexagonalen Bornitrid (hBN)-Nanopartikeln als Additive. Ziel dieser Studie ist es, durch den Einsatz des MoS2-hBN-Hybrids die Motorölleistung zu verbessern. MoS2 ist aufgrund seiner hervorragenden Schmiereigenschaften ein hochwirksames Nanomaterial zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß. Infolgedessen ist es zu einem beliebten Zusatzstoff in Schmiermitteln geworden12,13,14. MoS2-Nanopartikel haben eine hexagonale Kristallstruktur und ihre intrinsischen Gleitfähigkeitseigenschaften beruhen auf den schwachen Van-der-Waals-Kräften zwischen den S-Mo-S-Sandwichschichten und der rein positiven Ladung auf der Oberfläche, die die Ausbreitung elektrostatischer Abstoßung bewirkt. Dadurch können Schichten mit schwachen molekularen Kräften problemlos aufeinander gleiten, wodurch Reibung und Verschleiß an den Passflächen verringert werden15,16.

Ebenso ist hBN ein weiteres häufig verwendetes Nanomaterial für Schmierstoffadditive17,18. Das hBN hat mehrere Vorteile, darunter die gleiche Kristallstruktur wie Graphen, was es zu einem „weißen Graphen“19,20 macht. Das hBN ist ein Graphit-Isomorph mit Bor- und Stickstoffatomen, die die nichtwechselwirkenden A- und B-Untergitter in der Bernal-Struktur füllen. Das hervorragende tribologische Verhalten von hBN ergibt sich aus der starken Ionenbindung in der Ebene des planaren hexagonalen Kristallgitters. Darüber hinaus ist hBN äußerst inert und weist keine freien Bindungen oder Einschlüsse von Oberflächenladungen auf, was zusätzlich zu seinen außergewöhnlichen Eigenschaften beiträgt21,22.

Diese Hybrid-Nanopartikel wurden mithilfe einer fortschrittlichen Mikrowellen-Syntheseplattform synthetisiert, wodurch die Synthesezeit und der Energieverbrauch erheblich reduziert wurden23. Ziel dieser Arbeit ist es, den zugrunde liegenden Mechanismus aufzuklären, durch den das hybride MoS2-hBN-Additiv das Verhalten des Grundöls verbessert. Parameter wie der Reibungskoeffizient, der Durchmesser der Verschleißnarbe, die Oxidationsinduktionszeit (OIT) und die Noack-Flüchtigkeit werden untersucht, um die Auswirkungen des Additivs besser zu verstehen. Die Ergebnisse dieser Studie werden wertvolle Einblicke in die Leistungssteigerung von Motorölen durch den Einsatz hybrider MoS2-hBN-Additive liefern.

Chemische und strukturelle Charakterisierung von Nanopartikeln

In Abb. 1 wurden die XRD- und Raman-Spektren verwendet, um die physiochemischen Eigenschaften von MoS2, hBN-Nanopartikeln und synthetisierten Hybrid-MoS2-hBN-Partikeln zu untersuchen. Gemäß der XRD-Analyse in Abb. 1a stehen die Beugungspeaks bei 2θ = 14,5°, 33,0°, 39,3°, 58,5° und 69,7° im Zusammenhang mit (002), (100), (103), (110) und (201) Peaks der reinen MoS2-Phase (JCPDS-Nr. 371492)24,25. Die Beugungspeaks von hBN sind bei 2θ = 27,4°, 42,7°, 43,6 und 54,3 Peaks aus den Ebenen (002), (100), (101) und (004) dargestellt26,27. Das Hybrid-Nanopartikel zeigte die gleichen Peaks wie bei beiden Nanopartikeln, ohne neue Peaks oder signifikante Verschiebungen gegenüber den ursprünglichen MoS2- oder hBN-Beugungsspektren. Zur Schätzung der Kristallitgröße wurde die Scherrer-Gleichung verwendet.

(a) XRD-Spektrum des MoS2-hBN-Hybrids, der hBN- und MoS2-Nanopartikel. (b) Raman-Spektren des MoS2-hBN-Hybrids, der hBN- und MoS2-Nanopartikel.

Um die Kristallitgröße der MoS2-hBN-Hybridnanostruktur abzuschätzen, wird Gl. (1) wurde verwendet, wobei D die Kristallitgröße in Nanometern darstellt, K die auf 0,9 eingestellte Scherrer-Konstante ist, λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlen ist, β die Halbwertsbreite (FWHM) ist und θ der Peak ist Position. Der resultierende Wert für die Kristallitgröße der MoS2-hBN-Hybridnanostruktur betrug 75,6 nm.

Abbildung 1b zeigt das Raman-Spektrum der MoS2-Nanoblätter, das die charakteristischen Banden dieser Nanostruktur zeigt. Der erste Peak bei 367 cm−1 wird dem E12g-Schwingungsmodus zugeordnet, während der zweite Peak bei 406 cm−1 dem A1g-Modus zugeordnet wird. Diese Moden entsprechen Schwingungen von Schwefel- und Molybdänatomen in der Ebene in verschiedenen Richtungen und Schwingungen außerhalb der Ebene (A1g) von Schwefelatomen. Für die hBN-haltige Probe wurde ein intensiver Peak beobachtet. Allerdings wurden nur geringe hBN-Peaks festgestellt, was möglicherweise auf die begrenzte Eindringtiefe des Raman-Lasers auf der Oberfläche von MoS2-Nanopartikeln oberhalb der hBN-Nanostruktur zurückzuführen ist, die durch die Einkapselung von MoS2 auf der hBN-Oberfläche verursacht wird.

Abbildung 2a–c zeigt SEM-Bilder in verschiedenen Vergrößerungen, ein EDX-Spektrum und eine Elementkartierung der hybriden MoS2-hBN-Nanopartikel. Die Bilder zeigen, dass die Nanopartikel eine gleichmäßige Verteilung mit gewellten Kanten haben, die gleichmäßig facettiert sind. Typischerweise ist die laterale Größe von hBN kleiner als die von MoS2, was die Lücken, Schlaglöcher und Zwischenräume zwischen den MoS2-Flocken füllen kann, wodurch die Porosität und Oberflächenrauheit des Hybridnanopartikels verringert wird. Die Größe und Dicke der Flocken liegt zwischen 100 und 300 nm, was bestätigt, dass sie im Nanometerbereich liegen. Diese Nanostruktur bietet ein signifikantes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für die Durchführung von Reaktionen und minimiert gleichzeitig die Möglichkeit der Nanopartikelaggregation. Darüber hinaus kapselt MoS2 während der fortgeschrittenen Mikrowellensynthese die Oberfläche der hBN-Schichten ein und interkaliert zwischen den MoS2-Schichten, wodurch eine Zwischenschichtkopplung zwischen den Hybridschichten induziert wird. Abbildung 2 veranschaulicht die gleichmäßige und homogene Verteilung von Molybdän (Mo), Schwefel (S), Bor (B), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N) über die Nanoschicht mithilfe einer hochauflösenden EDS-Kartierungszusammensetzung. Das EDS-Spektrum der in Abb. 2d dargestellten hybriden MoS2-hBN-Nanopartikel bestätigt die Existenz der Elemente Mo, S, B, N und O, während die entsprechende quantitative Oberflächenanalyse in Abb. 2e die gleichmäßige Elementverteilung der jeweiligen Elemente zeigt im Hybrid-MoS2-hBN.

(a–c) FESEM-Bild bei drei verschiedenen Vergrößerungsstufen (Mo), (S), (B), (N) und (O) EDS-Kartierungszusammensetzung (d) EDS-Spektrum (e) Elementverteilung des MoS2-hBN-Hybrids Nanopartikel.

Physiochemische Charakterisierung von Nanoschmiermitteln.

Die Dichte, die kinematische Viskosität und der Viskositätsindex des Nanoschmiermittels mit unterschiedlichen Konzentrationen von MoS2-hBN-Hybrid-Nanopartikeln sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, dass die Zugabe von MoS2-hBN-Hybrid-Nanopartikeln keinen signifikanten Einfluss auf die Dichte des Öls hatte. Motoröle müssen ihre Viskosität bei niedrigen Temperaturen reduzieren, um die Reibung zu verringern, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und bei hohen Temperaturen eine ausreichend hohe Viskosität aufrechtzuerhalten, um Motorteile zu schützen und die Haltbarkeit zu gewährleisten. Dies kann durch die Aufrechterhaltung der Viskosität bei hohen Temperaturen erreicht werden, was zur Erhöhung des Viskositätsindex des Motoröls beiträgt28,29. Der Viskositätsindex (VI) ist ein Maß für die Änderung der Viskosität eines Öls aufgrund von Temperaturänderungen und wurde in dieser Studie unter Verwendung von Gleichung (1) berechnet. (2).

wobei U die kinematische Viskosität des Öls bei 40 °C darstellt und L und H die kinematische Viskosität des Referenzöls bei 40 °C bzw. 100 °C gemäß ASTM D2270 darstellen.

Tabelle 1 zeigt die Werte für Dichte, kinematische Viskosität und Viskositätsindex des Nanoschmiermittels mit verschiedenen Konzentrationen von MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die kinematische Viskosität des Öls nach Zugabe der Nanopartikel leicht abnimmt. Diese Verringerung ist möglicherweise auf die Schmierwirkung der Nanopartikel zurückzuführen, die die Reibung zwischen Ölmolekülen und beweglichen Teilen verringern und dadurch den Strömungswiderstand verringern können. Die Hybrid-Nanopartikel können eine Grenzschicht zwischen den Motorkomponenten bilden und so den Metall-zu-Metall-Kontakt und die für die Bewegung bei hohen Scherraten erforderliche Energie reduzieren30,31,32.

Darüber hinaus führt die Zugabe von MoS2-hBN-Hybrid-Nanopartikeln zu einer Erhöhung des Viskositätsindex des Motoröls um 0,3–3,28 %. Dies liegt daran, dass die Nanopartikel aufgrund ihrer hohen Scherfestigkeit auch bei hohen Belastungen und Temperaturen einen stabilen und gleichmäßigen Film auf den bewegten Bauteilen bilden können. Die Bildung einer Schutzschicht auf Metalloberflächen durch die Nanopartikel trägt dazu bei, Reibung und Verschleiß zwischen den Motorkomponenten zu reduzieren, die Viskosität des Öls bei höheren Temperaturen aufrechtzuerhalten und den Viskositätsindex zu erhöhen13,33. Die MoS2-hBN-Hybrid-Nanopartikel können auch die thermische Stabilität des Motoröls verbessern, indem sie verhindern, dass es bei hohen Temperaturen zerfällt und dünner wird, was zu einem höheren Viskositätsindex beiträgt. Insgesamt kann der Zusatz von MoS2-hBN-Hybrid-Nanopartikeln die Leistung von Motorölen verbessern, indem Reibung und Verschleiß reduziert, die thermische Stabilität erhöht und der Viskositätsindex bei hohen Temperaturen aufrechterhalten werden34,35.

Die Zetapotentialanalyse des MoS2-hBN-Hybrid-Nanoschmierstoffs wird durchgeführt, um die elektrische Ladung der Nanopartikel im Motoröl zu messen. Sie ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung der Stabilität der Hybrid-Nanopartikel im Motoröl. Diese Methode zur Untersuchung der Stabilität des Nanoschmierstoffs wird von Forschern häufig verwendet36,37. Abbildung 3 zeigt die Zetapotentialwerte von Nanoschmiermitteln mit unterschiedlichen Konzentrationen von MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln vor und nach 14 Tagen. Die Stabilität des MoS2-hBN-Hybrid-Nanoschmierstoffs war direkt proportional zur Dispersionsintensität der Nanopartikel im Motoröl.

(a) Zeta-Potenzialwerte von Nanoschmiermitteln mit verschiedenen Konzentrationen von MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln, (b) Stabilität nach der Formulierung, Tag 0 und (c) Stabilität nach Tag 14.

Gemäß Abb. 3 lagen die Zetapotentialwerte für die meisten in dieser Studie analysierten Nanoschmierstoffe nach einer 14-tägigen Syntheseperiode bei mehr als 60 mV. Basierend auf der in Tabelle 2 dargestellten Klassifizierung deutet dies darauf hin, dass die MoS2-hBN-Nanopartikel im Motoröl eine hervorragende Stabilität zeigten. MoS2-hBN-Hybridnanopartikel besitzen eine hohe Dichte negativer Oberflächenladungen aufgrund der Dissoziation von Sulfidionen (S2−), Borationen (BO3−) und Nitridionen (N3−) an der Partikeloberfläche im Nanoschmierstoff. Diese negativen Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, wodurch eine starke elektrostatische Barriere zwischen den Partikeln entsteht und eine Agglomeration verhindert wird38,39. Dadurch bleiben MoS2-Nanopartikel gut im flüssigen Medium dispergiert, was zu einem hohen Zeta-Potenzialwert führt. Das hohe Zeta-Potenzial von MoS2-hBN-Hybrid-Nanoschmierstoffen hat mehrere Vorteile, darunter verbesserte Stabilität, verringerte Reibung und verbesserte Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus trägt das hohe Zeta-Potenzial dazu bei, Partikelaggregation zu verhindern, die andernfalls zur Verstopfung der Schmierkanäle oder zu abrasivem Verschleiß führen könnte36,40. Es wurden visuelle Beobachtungstests durchgeführt, um die Stabilität der Nanoschmiermittelformulierung nach der Einführung von Nanopartikeln und über 14 Tage zu beurteilen, wie in Abb. 3b, c dargestellt. Bemerkenswert ist, dass bei der visuellen Inspektion keine erkennbare Veränderung oder Sedimentation festgestellt wurde. Dies weist darauf hin, dass die Nanopartikel effektiv dispergiert und gut in die Nanoschmierstoffmatrix eingebunden waren und über die angegebene Dauer eine hervorragende Stabilität aufwiesen. Das Fehlen optischer Veränderungen oder Ablagerungen bestätigt zusätzlich die Eignung der Formulierung für potenzielle Anwendungen in tribologischen Systemen. Diese Ergebnisse liefern einen Beweis für die erfolgreiche Integration und Langzeitstabilität von Nanopartikeln in das Nanoschmiermittel und ebnen den Weg für eine verbesserte tribologische Leistung und eine längere Lebensdauer41,42.

Der Verlust von Motoröl durch Verflüchtigung tritt auf, wenn die Temperatur während des Motorbetriebs ansteigt. Dies ist besonders wichtig für Motoren, die bei höheren Temperaturen arbeiten. Vor allem Hochleistungsmotoren erzeugen mehr Wärme, was dazu führen kann, dass Öl schneller verdunstet. Wenn das Öl zu schnell verdunstet, kann es nicht für die richtige Schmierung sorgen, was zu Motorschäden und verminderter Leistung führt. Der auf ASTM D5800 basierende Noack-Flüchtigkeitstest ist eine standardisierte Testmethode zur Messung des Verdunstungsverlusts von Schmierölen und Schmiermitteln. Abbildung 4 zeigt die Noack-Flüchtigkeitsanalyse von Nanoschmiermitteln mit verschiedenen Konzentrationen von MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln. Das Grundöl wies einen Verdunstungsverlust von 12,25 % auf, während alle Nanoschmierstoffe auf MoS2-hBN-Basis einen geringeren Verdunstungsverlust aufwiesen, der zwischen 8,98 und 10,22 % lag. Die Zugabe des Nanokomposits zu dieselbasiertem Motoröl verbessert die Ergebnisse des Noack-Flüchtigkeitstests. Das Nanokomposit besteht aus MoS2 und hBN, die beide eine hohe thermische Stabilität aufweisen und hohen Temperaturen standhalten, ohne zu zerfallen oder zu verdampfen. Dadurch trägt die Einbeziehung dieser Elemente in das Nanokomposit dazu bei, die Verflüchtigung leichterer Kohlenwasserstoffkomponenten im Öl zu reduzieren, was zu geringeren Gesamtverdampfungsverlusten bei Hochtemperaturvorgängen führt. Darüber hinaus verfügt das MoS2-hBN-Nanokomposit über verbesserte Grenzschmierfähigkeiten, was besonders unter extremen Druckbedingungen nützlich ist, wenn Motorkomponenten in direkten Metall-auf-Metall-Kontakt kommen44. Die umfassende Analyse ergab, dass das Nanokomposit bei einer Konzentration von 0,05 Gew.-% den geringsten Gewichtsverlust während des Tests aufwies. Als die Konzentration auf 0,1 Gew.-% anstieg, wurde ein weiterer Rückgang des Gewichtsverlusts beobachtet. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die optimale Konzentration zur Minimierung des Gewichtsverlusts 0,05 Gew.-% beträgt. Abweichend von dieser Konzentration führten sowohl höhere als auch niedrigere Werte zu einem verstärkten Gewichtsverlust. Diese Beobachtungen unterstreichen die Bedeutung einer genauen Kontrolle der Konzentration des MoS2-hBN-Nanokomposits im Motoröl, um die gewünschte Reduzierung des Gewichtsverlusts während des Noack-Flüchtigkeitstests zu erreichen. Der Einbau dieser Nanopartikel in Nanoschmierstoffe kann die thermische Stabilität des Schmierstoffs verbessern, wodurch die Bildung von Schlammablagerungen vermieden und die Tendenz des Schmierstoffs, während der Noack-Analyse zu verdampfen, verringert werden kann45.

Die NOACK-Flüchtigkeitstestwerte von Nanoschmiermitteln mit MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln unterschiedlicher Konzentration.

Tribologische Analyse des MoS2-hBN-Hybrid-Nanoschmiermittels

Abbildung 5a zeigt den COF des Nanoschmierstoffs bei verschiedenen Konzentrationen von MoS2-hBN-Hybrid-Nanopartikeln im Motoröl. Die Ergebnisse zeigten, dass der COF des Grundöls (reines SAE20W40) 0,0946 betrug. Im Vergleich dazu reduzierte sich der COF auf 54,24 %, 68,48 %, 65,62 % und 47,68 % für 0,1 Gew.-%, 0,05 Gew.-%, 0,01 Gew.-% bzw. 0,005 Gew.-% der Hybridnanopartikel. Die Verringerung des COF wurde auf die Bildung eines Grenzfilms oder Tribofilms zurückgeführt46,47,48. Als die MoS2-hBN-Nanopartikel auf die in Kontakt stehenden Oberflächen gebracht wurden, erfuhren sie eine Scherverformung und zerfielen in kleinere Plättchen. Diese Plättchen hafteten an den Oberflächen und bildeten einen dünnen Film oder eine dünne Schicht, die als schützender Grenzfilm zwischen den Oberflächen fungierte und den direkten Kontakt zwischen ihnen und den Reibungskoeffizienten verringerte49,50. Die Plättchen im Grenzfilm hatten eine geringe Scherfestigkeit, sodass sie leicht gegeneinander gleiten konnten und die Reibung weiter verringert wurde. Wenn die Konzentration der Nanopartikel jedoch 0,05 Gew.-% überstieg, stieg der COF aufgrund der Agglomeration an. Agglomerierte Nanopartikel können harte Partikel bilden, die als Schleifmittel wirken und einen erhöhten Oberflächenverschleiß verursachen. Auch die Rauheit, die durch agglomerierte Nanopartikel entsteht, kann die Reibung erhöhen. Um Reibung und Verschleiß effektiv zu reduzieren, ist die Bildung eines stabilen und gleichmäßigen Grenzfilms auf den Oberflächen unerlässlich. Die tribologische Leistung des MoS2-hBN-Hybrid-Nanoschmiermittels hing von der Konzentration der Nanopartikel ab. Die optimale Leistung wurde bei einer Konzentration von 0,05 Gew.-% erreicht, was das beste Gleichgewicht zwischen Reibungsreduzierung und Verhinderung von Agglomeration bot. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Konzentration der Nanopartikel zu kontrollieren, um die optimale Leistung des Nanoschmiermittels sicherzustellen.

(a) COF (b) die durchschnittliche WSD des MoS2-hBN-Hybrid-Nanoschmiermittels (c) schematisches Diagramm des Schmiermechanismus des MoS2-hBN-Hybrid-Nanoschmiermittels.

Abbildung 5b zeigt die Verschleißnarbendurchmesser (WSD) von hybriden MoS2-hBN-Nanopartikeln in SAE20W40-Motoröl auf Dieselbasis unter Verwendung eines optischen Profilometers. Die WSD von reinem SAE20W40 ohne Zusatz von Hybrid-Nanopartikeln betrug 444 µm. Es wurde beobachtet, dass die WSD des Nanoschmiermittels durch die Zugabe von 0,05 Gew.-% MoS2-hBN um bis zu 35,54 % reduziert wurde. Dies ist, wie bereits erwähnt, auf die Bildung eines dünnen Films zurückzuführen. Dieser Film fungiert als Barriere, die die Oberflächen trennt und die Reibung und den Verschleiß zwischen ihnen verringert51,52. Die Nanopartikel in der Folie absorbieren außerdem die Belastung und verteilen sie gleichmäßig auf den Oberflächen, wodurch lokaler Verschleiß reduziert wird. MoS2- und hBN-Nanopartikel weisen eine hohe Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und Drücken auf und sind daher wirksame Schmiermittel für Anwendungen unter extremen Bedingungen. Die starken intermolekularen Kräfte zwischen den Nanopartikeln ermöglichen eine starke Haftung an den Oberflächen, die sie schützen sollen, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass sie während des Betriebs verschoben oder entfernt werden. Der Schichtaufbau von MoS2 und hBN ermöglicht zudem ein leichtes Aneinandergleiten, was den Verschleiß der Oberflächen weiter reduziert. Die Gleitbewegung trägt dazu bei, die Last gleichmäßig auf die Oberflächen zu verteilen, wodurch örtlicher Verschleiß und die Bildung von Verschleißnarben reduziert werden53. Abbildung 5c zeigt die grafische Darstellung des Wirkmechanismus, der für die tribologische Verbesserung verantwortlich ist.

FESEM-Bilder von Verschleißnarben, die während tribologischer Tests an einem Kugellager entstanden sind, sind in Abb. 6a,b dargestellt. Es ist ein signifikanter Unterschied zwischen der Verschleißnarbe, die auf dem Stahlkugellager mit einem Grundöl erzeugt wurde, und der Verschleißoberfläche des Kugellagers zu beobachten, das mit Nanoschmierstoff getestet wurde, der 0,05 Gew.-% Hybrid-MoS2-hBN-Nanopartikel enthält, wie aus den FESEM-Bildern des Verschleißes hervorgeht Narbe in Abb. 6c. Die Verschleißnarbe auf dem Stahlkugellager mit Grundöl ist erheblich tiefer als die auf dem Kugellager, das mit Nanoschmierstoff getestet wurde, der 0,05 Gew.-% Hybrid-MoS2-hBN-Nanopartikel enthält. Es ist möglich, dass die tiefen Furchen durch die Zugabe von Nanopartikeln aufgrund der heilenden Wirkung der hybriden MoS2-hBN-Nanopartikel reduziert wurden. Der Reparatureffekt besteht darin, dass sich die Nanopartikel in den Mikrorissen und Defekten der Passflächen ablagern und so eine glattere und gleichmäßigere Oberfläche entstehen54. Die Kombination von MoS2 und hBN in einer Nanokompositform bietet synergistische Vorteile bei der Reduzierung des durchschnittlichen Verschleißnarbendurchmessers, der bei tribologischen Tests beobachtet wurde. MoS2-Nanopartikel verfügen über eine außergewöhnliche Lasttragekapazität und Grenzschmiereigenschaften, wodurch der Kontakt und der Verschleiß von Metall zu Metall wirksam gemindert werden. Diese Nanopartikel bilden eine robuste, reibungsarme Beschichtung auf den Gleitflächen, wodurch die Reibung verringert und der Verschleiß minimiert wird48,51,55. Darüber hinaus tragen hBN-Nanopartikel erheblich zur Bildung eines stabilen Schmierfilms bei, wodurch Reibung und Verschleiß weiter reduziert werden17,18. Die kombinierte Wirkung von MoS2- und hBN-Additiven in der Nanokompositformulierung verbessert die Verschleißschutzeigenschaften des Motoröls und führt zu einer Verringerung des durchschnittlichen Verschleißnarbendurchmessers. Dieser synergistische Effekt wird auf die Tragfähigkeit von MoS2 und die Schmierfilmbildung von hBN zurückgeführt, die zusammen zur überlegenen Leistung des Nanokomposits in tribologischen Anwendungen beitragen. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in die Entwicklung fortschrittlicher Schmierstoffadditive und deren potenzielle Anwendung zur Verbesserung der Haltbarkeit und Effizienz dieselbasierter Motoröle. Diese Ergebnisse können anhand des EDX-Elementarspektrums bestätigt werden, bei dem Mo-, S-, B- und N-Elemente auf der Narbe des Kugellagers nachgewiesen wurden, das mit Grundöl mit 0,05 Gew.-% Hybrid-MoS2-hBN versetzt wurde, während die Elemente der Nanopartikel nicht nachgewiesen wurden auf der Narbe des mit dem Grundöl getesteten Kugellagers (Abb. 6b).

FESEM-Bild der Verschleißnarbe und entsprechendes EDX-Elementarspektrum und Atomverteilung von (a) von SAE20W40 (b) SAE20W40 mit 0,05 Gew.-% hybriden MoS2-hBN-Nanopartikeln.

Oxidations- und Wärmeleitfähigkeitsanalyse des MoS2-hBN-Hybrid-Nanoschmiermittels

Oxidation ist ein chemischer Prozess, der auftritt, wenn Sauerstoff mit im Motoröl vorhandenen Kohlenwasserstoffen reagiert. Bei diesem Prozess können verschiedene schädliche Nebenprodukte wie Schlamm, Lack und Säuren entstehen, die sich negativ auf die Leistung und Zuverlässigkeit des Fahrzeugs auswirken können. Um die Oxidationsbeständigkeit eines Schmierstoffs zu beurteilen, wird eine Oxidations-Induktionszeit-Analyse (OIT) durchgeführt. OIT ist die Zeit, die das Schmiermittel benötigt, um unter kontrollierten Bedingungen zu oxidieren. Je höher die OIT, desto widerstandsfähiger ist das Schmiermittel gegenüber Oxidation. Abbildung 7a zeigt die OIT von Nanoschmiermitteln mit verschiedenen Konzentrationen von MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln im Motoröl. Es wurde festgestellt, dass die OIT des Nanoschmiermittels durch die Zugabe von 0,05 Gew.-% MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln um bis zu 38,76 % stieg. Dies ist auf die außergewöhnlichen antioxidativen Eigenschaften von MoS2 und hBN zurückzuführen, die die Oxidationsstabilität des Motoröls verbessern können. Wenn die Nanopartikel dem Motoröl zugesetzt werden, reichern sie sich an der Oberfläche der Metallkomponenten an und bilden eine Schutzbarriere, die eine weitere Oxidation verhindert. Die Nanopartikel bilden eine Schutzschicht auf der Oberfläche der Metallkomponenten, die zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß beiträgt und außerdem die Bildung freier Radikale und anderer oxidierender Spezies hemmt56,57. Diese Barriere verhindert auch die Bildung schädlicher Ablagerungen wie Schlamm und Lack, die sich im Motor ansammeln und den Ölfluss zu wichtigen Komponenten behindern können. Durch die Hemmung der Bildung freier Radikale und die Verhinderung der Bildung schädlicher Ablagerungen erhöht sich der OIT des Motoröls, was bedeutet, dass das Öl über einen längeren Zeitraum stabil und wirksam bleibt. Dies kann zu einer verbesserten Motorleistung und einer längeren Lebensdauer der Komponenten führen58.

(a) OIT-Analyse und (b) Wärmeleitfähigkeit des hybriden MoS2-hBN-Nanoschmiermittels.

Die Wärmeleitfähigkeit ist eine entscheidende Eigenschaft von Motoröl, da sie eine wichtige Rolle bei der Fähigkeit des Öls spielt, Wärme von den Motorkomponenten abzuleiten. Wenn ein Motor in Betrieb ist, erzeugt er eine enorme Wärmemenge, und es liegt in der Verantwortung des Öls, diese Wärme vom Motor abzuleiten, um eine Überhitzung und einen Ausfall von Komponenten zu verhindern59. In dieser Studie wurde die Laserblitzmethode verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit der mit hybriden MoS2-hBN-Nanopartikeln formulierten Nanoschmierstoffe zu bestimmen. Abbildung 7b zeigt, dass die Zugabe von hybriden MoS2-hBN-Nanopartikeln zu Dieselöl auf SAE20W40-Basis die Wärmeleitfähigkeit des Motoröls deutlich erhöhte. Beispielsweise erhöhte die Zugabe von 0,05 Gew.-% MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln die Wärmeleitfähigkeit um 28,30 % (bei 100 °C). Der Einbau von MoS2-hBN-Hybrid-Nanopartikeln in Motoröl verbessert dessen Wärmeleitfähigkeit, indem mehr Wege für die Wärmeübertragung innerhalb des Öls geschaffen werden. Es ist bekannt, dass diese Hybridnanopartikel über hohe Wärmeleitfähigkeitseigenschaften verfügen, da MoS2 Temperaturen von bis zu 400 °C standhalten kann, während hBN bei 1000 °C thermisch stabil bleiben kann60,61. Wenn diese Nanopartikel dem Motoröl zugesetzt werden, erzeugen sie ein miteinander verbundenes Netzwerk von Pfaden im Öl und erleichtern so die Wärmeübertragung von den Motorkomponenten auf das Öl. Dadurch fungiert das Öl als effektiver Wärmesenke, steigert die Motorleistung und verhindert eine Überhitzung. Darüber hinaus können die Nanopartikel auch die Wärmeübertragungseigenschaften der Motorkomponenten selbst verbessern. Da sich die Nanopartikel auf der Oberfläche der Metallkomponenten ansammeln, bilden sie eine dünne Schicht, die den thermischen Kontakt zwischen den Komponenten und dem umgebenden Öl verbessern kann. Dies kann dazu beitragen, den Temperaturgradienten zwischen den Komponenten zu verringern, das Risiko eines Komponentenausfalls zu verringern und thermische Spannungen zu verhindern48,62.

Diese Studie untersuchte die Wirkung von Hybrid-MoS2-hBN-Nanopartikeln auf das tribologische Verhalten, das Oxidations- und Wärmeleitfähigkeitsverhalten von SAE20W40-Motorenöl auf Dieselbasis. Die Nanopartikel wurden mithilfe einer fortschrittlichen Mikrowellenplattform synthetisiert, was die Synthesezeit und den Energieverbrauch erheblich reduzierte. Die MoS2-Nanopartikel wuchsen aufgrund der Wechselwirkung zwischen ihren funktionellen Gruppen gleichmäßig auf der Oberfläche von hBN-Nanopartikeln. Die Zugabe von 0,05 Gew.-% Hybrid-MoS2-hBN-Nanopartikeln zum Motoröl reduzierte den Reibungskoeffizienten und den durchschnittlichen Verschleißnarbendurchmesser im Vergleich zum Grundöl deutlich um 68,48 % bzw. 35,54 %. Darüber hinaus steigerten die Hybridnanopartikel die Oxidation und Wärmeleitfähigkeit deutlich um 38,76 % bzw. 28,30 % (bei 100 °C). Das verbesserte tribologische Verhalten des Nanoschmierstoffs ist auf die Bildung einer Schutzschicht auf der Oberfläche von Metallbauteilen zurückzuführen, die Reibung und Verschleiß reduziert und die Bildung schädlicher Ablagerungen wie Schlamm und Lack verhindert. Die Nanopartikel bildeten außerdem ein Netzwerk miteinander verbundener Pfade im Öl, was eine effektivere Wärmeübertragung von den Motorkomponenten auf das Öl ermöglichte. Diese verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften können dazu beitragen, Überhitzung zu verhindern und das Risiko eines Komponentenausfalls zu verringern. Die Synthese hybrider MoS2-hBN-Nanopartikel mithilfe einer fortschrittlichen Mikrowellenplattform hat eine hervorragende Verbesserung der tribologischen, Oxidations- und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von SAE20W40-Motoröl auf Dieselbasis gezeigt.

Materialien.

Für das Experiment waren alle gekauften Chemikalien von analytischer Qualität und wurden ohne weitere Modifikationen wie erhalten verwendet. Die für die Synthese der hybriden MoS2-hBN-Nanopartikel verwendeten Chemikalien waren Ammoniummolybdattetrahydrat ((NH4)6Mo7O24·4H2O) von Fisher Chemicals in Chicago, USA, Thioharnstoff (SC(NH2)2) und gekauftes hexagonales Bornitrid (hBN). von R&M Chemicals in Dundee, Großbritannien. Das im Experiment verwendete Schmieröl war Dieselmotoröl mit API SAE20W40 CD/SE GL-4.

Synthese von hybriden MoS2-hBN-Nanopartikeln.

Die Synthese hybrider MoS2-hBN-Nanopartikel wurde mithilfe einer fortschrittlichen Mikrowellen-Hydrothermalsyntheseplattform durchgeführt. Zunächst wurde eine Lösung hergestellt, indem nach und nach 3,7 g Ammoniummolybdattetrahydrat und 6,85 g Thioharnstoff zu 105 ml entionisiertem Wasser gegeben wurden, während 30 Minuten lang gerührt wurde, um eine gleichmäßige Mischung sicherzustellen. Anschließend wurde 1 g hBN-Pulver zugegeben und die Mischung weitere 30 Minuten lang beschallt. Die resultierende Mischung wurde dann in einen Hydrothermalreaktor überführt und in die Mikrowellensyntheseplattform (Milestone, flexiWAVE, Italien) gestellt. Die Temperatur wurde auf 200 °C eingestellt und die Reaktion 15 Minuten lang ablaufen gelassen. Nach der Reaktion ließ man die Mischung auf natürliche Weise auf Raumtemperatur (26 °C) abkühlen. Anschließend wurde die Probe zentrifugiert und mit destilliertem Wasser und Ethanol gewaschen, bevor sie gefriergetrocknet wurde. Abbildung 8 zeigt die Synthesemethode der hybriden MoS2-hBN-Nanopartikel.

Die grafische Darstellung der Synthesemethode für hybride MoS2-hBN-Nanopartikel.

Formulierung eines Hybrid-Nanoschmiermittels auf MoS2-hBN-Basis.

Frühere experimentelle Daten wurden genutzt, um den Gewichtsanteil des MoS2- und hBN-Nanokomposits zu optimieren. Die tribologische Leistung zeigte einen Rückgang über 0,1 Gew.-% und unter 0,005 Gew.-%. Daher wurden Gewichtsprozente von 0,005 Gew.-%, 0,01 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-% für weitere Untersuchungen ausgewählt, um ein Gleichgewicht zwischen tribologischen Eigenschaften und Leistung zu finden63. Dieses Sortiment bietet wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung der Nanokompositformulierung und zur Weiterentwicklung ihrer Anwendung in Schmiersystemen. Um das Nanoschmiermittel herzustellen, wurden verschiedene Konzentrationen hybrider MoS2-hBN-Nanopartikel in 100 ml SAE 20W40-Motoröl dispergiert, darunter 0,005 Gew.-%, 0,01 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%. Der Mischprozess umfasste das 10-minütige Homogenisieren der Mischung mit einem Labormischer mit hoher Scherung. Anschließend wurden die Proben 30 Minuten lang einer Ultraschallbehandlung in einem Ultraschallbad unterzogen, um eine gleichmäßige und nicht agglomerierte Dispersion der Nanopartikel im Grundöl zu erreichen.

Charakterisierungen.

Verschiedene Charakterisierungs- und Analysetechniken wurden verwendet, um die Eigenschaften hybrider MoS2-hBN-Nanopartikel und ihre Leistung als Nanoschmierstoff zu untersuchen. Die Größe, Morphologie und Elementzusammensetzung der Nanopartikel wurden durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie (FESEM und EDX) bestimmt. Die Kristallinität und Phasenstruktur der Proben wurden mittels Röntgenbeugung (XRD) mit Cu-Kα-Strahlung (U = 45 kV, I = 27 mA und λ = 1,54 nm) untersucht, während die molekularen Wechselwirkungen durch angeregte Raman-Spektroskopie analysiert wurden mit einem 532 nm Laser. Die Dichte, die kinematische Viskosität und der Viskositätsindex der Proben wurden mit einem Viskosimeter (Viskosimeter SWM 3000) gemessen und der Zetasizer ermittelte die Dispersionsstabilität. Der Noack-Flüchtigkeitstest wurde mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) durchgeführt.

Die tribologische Analyse wurde mit einem Vierkugel-Tribotester (Ducom TR-30L) durchgeführt, um den Reibungskoeffizienten (COF) und den durchschnittlichen Verschleißnarbendurchmesser (WSD) des Hybrid-Nanoschmiermittels auf MoS2-hBN-Basis bei verschiedenen Nanopartikelkonzentrationen zu bestimmen. Es wurden Kugeln aus Kohlenstoff-Chrom-Stahl verwendet und die Drehzahl, die aufgebrachte Last, die Zeit und die Temperatur betrugen 12.000 U/min, 392,5 N, 3600 s bzw. 75 °C gemäß ASTM 4172-94. Die Bilder der Verschleißnarben auf den Metallkugeln wurden von FESEM und EDX untersucht.

Die Oxidationsanalyse wurde mit einem Hochdruck-Differential-Scanning-Kalorimeter (HP-DSC) durchgeführt, um die Oxidationsinduktionszeit (OIT) von Nanoschmiermitteln auf MoS2-hBN-Basis mit verschiedenen Nanopartikelkonzentrationen zu bestimmen. Das Verfahren wurde bei 500 psi, einer isothermen Temperatur von 200 °C, mit einer Durchflussrate von 50 ml/min und einer Anstiegsrate von 10 °C/min durchgeführt. Die Wärmeleitfähigkeit des Nanoschmiermittels auf MoS2-hBN-Basis mit verschiedenen Nanopartikelkonzentrationen wurde bewertet mittels Laserblitzanalyse (LFA HyperFlash). Die Probe wurde in den Probenring gefüllt und die oberen und unteren Dichtungsscheiben wurden mit Graphit besprüht, um die Schwarzkörperabsorption zu fördern. Die Probe wurde in einer Stickstoffumgebung mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/min von Raumtemperatur auf 120 °C erhitzt.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Die Autoren danken dem Forschungs- und Innovationsmanagementzentrum der National Defense University of Malaysia für die Bereitstellung von Stipendien für diese Forschung an TN. Die Autoren würdigen außerdem die Finanzierung durch die Sunway University durch das International Research Network Grant Scheme (STR-IRNGS-SET-GAMRG-01-2022).

Fakultät für Verteidigungswissenschaft und -technologie, National Defense University of Malaysia, 57000, Kuala Lumpur, Malaysia

Thachnatharen Nagarajan & Nanthini Sridewi

Sunway Center for Electrochemical Energy and Sustainable Technology (SCEEST), School of Engineering and Technology, Sunway University, 47500, Petaling Jaya, Selangor, Malaysia

Weng Pin Wong & Mohammad Khalid

Fakultät für Informatik und Ingenieurwesen, Taylor's University, 47500, Subang Jaya, Selangor, Malaysia

Rashmi Walvekar

Fakultät für Maschinenbau, MAIT, Maharaja Agrasen University, Baddi, 174103, HP, Indien

Virat Khanna

Abteilung für Forschung und Entwicklung, Lovely Professional University, Phagwara, 144411, Punjab, Indien

Mohammad Khalid

School of Engineering and Technology, Sharda University, Greater Noida, 201310, Uttar Pradesh, Indien

Mohammad Khalid

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Korrespondenz mit Nanthini Sridewi oder Mohammad Khalid.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nagarajan, T., Sridewi, N., Wong, WP et al. Synergistische Leistungsbewertung von MoS2-hBN-Hybridnanopartikeln als tribologisches Additiv in dieselbasierten Motorölen. Sci Rep 13, 12559 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39216-0

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Eingegangen: 05. Mai 2023

Angenommen: 21. Juli 2023

Veröffentlicht: 02. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39216-0

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