通过绿色合成方法制备银纳米颗粒,以提升再生Al6061基复合材料的摩擦学性能

《Surfaces and Interfaces》:Green Synthesis of Silver Nanoparticles for Enhancing Tribological Properties of Recycled Al6061 Matrix Composites

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年03月20日 来源:Surfaces and Interfaces 6.3

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  银纳米颗粒绿色合成及其对Al6061耐磨性能的增强研究。通过微波辅助乙醇还原法成功制备尺寸更小(~24.096 nm)、分散性更好的AgNPs,使用Aloe Vera乙醇提取物(AVEE)替代水提取物使晶格间距增加6.5%、比表面积提升22.7%,并降低位错密度59.7%。2wt.% AgNPs增强Al6061复合材料磨损抗力达68.7%,摩擦系数降低20.3%,形成纳米颗粒富集的防护层减少金属接触。

  
H. Gassour|Mohamed A.E. Omer|Gamal Aboelmagd|Jianping Wang|Xiuqing Hao|Ammar Elsheikh|Khaled Hamdy|Ahmed Mohamed Mahmoud Ibrahim
埃及拉马丹十日城高等技术学院机械工程系,邮编44629

摘要

在工程应用中,对可持续增强材料的需求推动了绿色纳米材料合成的研究,以改善材料的机械性能和摩擦学性能。本研究旨在通过使用绿色合成的银纳米粒子(AgNPs)来增强Al6061基复合材料的摩擦学性能。采用乙醇作为还原剂的微波辅助合成方法加速了纳米粒子的形成,制备出了粒径更小的AgNPs(约24.096纳米,相比传统绿色合成方法尺寸减少了22.13%),同时提高了分散性。微观结构分析显示,当使用芦荟乙醇提取物(AVEE)代替芦荟水提取物(AVWE)时,层间间距和比表面积分别增加了6.5%和22.7%。此外,位错密度显著降低了59.7%,降至1.665×101? m?2,表明材料的结构完整性得到提升,晶格缺陷减少。在Al6061基复合材料中加入2 wt.%的AgNPs后,耐磨性提高了68.7%,并且在较高滑动速度下的摩擦系数降低了20.3%,这归因于形成了富含AgNPs的摩擦层,减少了金属间的直接接触,促进了滚子效应。

引言

铝合金在汽车、建筑和航空航天等行业中发挥着关键作用。在典型的汽车中,大约有30,000个零部件,铝合金占总重量的20%[1]。使用轻质材料至关重要,因为减轻车辆重量100公斤可以提升0.4 dm3/100 km的燃油效率,并减少7.5–12.5 g/km的二氧化碳排放[2]。由于纯铝无法满足所有性能要求,铝合金成为了理想的解决方案。
与此同时,由于其卓越的机械、电学和生物性能,纳米材料在多个领域得到了广泛应用[3,4]。在各种增强材料中,银纳米粒子(AgNPs)因其抗菌性能和耐腐蚀性而受到广泛关注,使其在生物医学应用中具有优势[[5], [6], [7]]。Ibrahim等人[8]证明,石墨烯的加入可以提高NiAl合金的摩擦学性能,尽管其效果在高温下会减弱。为了解决这一问题,他们提出了一种结合石墨烯纳米片(GNPs)和AgNPs的混合润滑方法。AgNPs可以以多种形式存在,如纳米粒子、纳米复合材料、胶体、泡沫和纤维,并且已经展示了显著的效果[[9], [10], [11], [12]]。
Nguyen等人[13]强调了基于银的材料的潜在治疗应用,特别是在抗菌和伤口愈合方面。Secario等人[14]报告称,较小的AgNPs由于具有较大的表面积和更强的与细菌膜的相互作用而表现出更强的抗菌活性。Yan和Cheng在专利号6379712-B1中介绍了一种创新方法[15],用于生产涂有AgNPs的颗粒,这些颗粒可作为聚氨酯泡沫等建筑材料的杀菌成分,用于绝缘和外墙材料。AgNPs的多功能性质还包括抑制细菌、真菌和藻类,从而保护材料免受降解[16]。
Sousa等人[17]研究了微波辅助合成硫化银和AgNPs的方法,发现光照强度和持续时间显著影响粒子形态。在光照条件下,观察到了直径约6纳米的小球形纳米粒子;而关闭光源后,则产生了数百纳米长的纳米粒子。在绿色合成方法中,芦荟提取物作为一种兼具还原和稳定作用的试剂脱颖而出,减少了化学物质的使用,降低了环境影响,促进了可持续性。其丰富的植物化学成分使得纳米粒子形态可控,生物活性增强,使其成为环保合成的首选[18]。
Pandey等人[19]研究了添加了AgNPs和二氧化铈(CeO?)的羟基磷灰石(HA)复合材料,发现其机械和摩擦学性能得到改善,适用于承重骨科应用。与未增强的HA相比,HA-CeO?-Ag复合材料的硬度、弹性模量和断裂韧性更高,脆性更低。同样,Chu等人[20]研究了高温下纳米晶Nb-Ag材料的滑动磨损行为,注意到350°C至500°C之间的摩擦氧化行为发生变化。Liu等人[21]发现,AgNPs通过微滚子效应增强了织物衬里的热性能和摩擦性能,能够抵抗外部载荷。
在铝基复合材料(AMCs)中,绿色合成的AgNPs为医疗、航空航天和食品接触应用提供了更安全的替代品,尤其是在关注毒性的情况下。基于Al6061的AMCs因其良好的机械和热性能而被广泛使用[22]。此外,AgNPs的增强作用还提高了耐磨性,同时作为纳米润滑剂,为基体材料增加了抗菌功能[43]。绿色合成方法改善了表面化学性质,促进了更好的分散性和更强的界面结合,从而提升了复合材料的整体性能并降低了生产成本。随着对可持续制造的监管压力不断增加,环保型AgNPs在Al6061-AMCs中的应用成为寻求环境认证的行业的有吸引力的解决方案。
虽然先前的研究已经证明了AgNPs对耐磨性能的益处,但绿色合成方法对磨损率和摩擦系数的影响仍需进一步研究。为了更好地理解性能特点,本研究提出了两个关键问题:
  • •
    Q1:微波辅助绿色合成如何影响AgNPs的特性?
  • •
    Q2:在不同条件下,AgNPs的增强作用如何影响Al6061-AMCs的磨损率和摩擦系数?
  • 回答这些问题将实现以下研究目标:(1)比较通过微波辅助合成和传统绿色方法合成的AgNPs的性能;(2)评估不同AgNPs含量对在恒定载荷条件下不同滑动速度下制备的PM-Al6061-AMCs的磨损和摩擦行为的影响。这些发现旨在填补现有研究的空白,并推动绿色合成AgNPs在提高耐磨性和抗菌性能方面的应用。

    章节摘录

    银纳米粒子的制备

    合成过程分为三个主要阶段,如图1所示:
  • 1.
    芦荟提取物的制备:从当地市场购买乙醇、蒸馏水和过滤纸,并验证其质量符合要求。将清洗过的芦荟叶片切碎后,放入50毫升蒸馏水中煮沸20分钟,然后冷却并用Whatman 4级纸过滤。对于乙醇提取物(AVEE),用乙醇代替水,步骤相同。两种提取物均保存备用
  • 密度特性分析

    使用阿基米德法测量了烧结前后的样品密度,结果总结在表3中。实验结果表明,压实和烧结过程有效进行,所有致密化因子均超过90%,确保了后续测试中的可靠机械性能[33]。

    绿色AgNPs的分析

    对合成的AgNPs进行了XRD表征,使用谢勒公式、布拉格定律和布鲁纳-埃梅特-特勒方法确定了平均晶粒尺寸和FWHM(全宽半高)

    结论

    绿色合成的银纳米粒子(AgNPs)显著提升了增强材料的结构和摩擦学性能。研究表明,合成参数显著影响了纳米粒子的特性,并提高了Al6061复合材料的耐磨性。使用乙醇的微波辅助合成方法加速了纳米粒子的形成,促进了均匀分散,并增强了界面结合,从而提高了机械性能。

    数据可用性

    本研究使用/分析的数据集可应要求向相应作者索取。

    作者贡献

    H. Gassour:数据管理;验证;初稿撰写。
    Mohamed A. E. Omer:数据管理;实验研究;数据可视化。
    Gamal Aboelmagd:概念构思;方法论;监督;审稿与编辑。
    Jianping Wang:概念构思;实验研究;软件应用。
    Xiuqing Hao:资金筹集;方法论;项目管理;监督;验证。
    Ammar Elsheikh:概念构思;实验研究;方法论;验证。
    Khaled Hamdy:概念构思;数据管理

    未引用的参考文献

    [[23], [24], [25], [26], 35,36]

    CRediT作者贡献声明

    H. Gassour:初稿撰写;验证;数据管理。Mohamed A.E. Omer:数据可视化;实验研究;数据管理。Gamal Aboelmagd:审稿与编辑;监督;方法论;概念构思。Jianping Wang:软件应用;实验研究;概念构思。Xiuqing Hao:验证;监督;项目管理;方法论;资金筹集。Ammar Elsheikh:验证;方法论;实验研究;概念构思。Khaled Hamdy:资源协调;数据管理

    利益冲突声明

    作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

    致谢

    本研究得到了中央高校基本研究基金(项目编号NT2023010)和教育部的国际可持续制造联合实验室(项目编号56XBF24018)的支持。作者对此项财务支持表示衷心感谢。
    作者同时感谢湖南科技大学、米纳大学和冶金中心的帮助
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