愛(ài)華網(wǎng)| 納米材料在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) （信息時(shí)間：2009-1-8閱讀次數(shù)： |
| 納米材料在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)虹口區(qū)金屬材料熱處理協(xié)會(huì)上海海事大學(xué)商船學(xué)院朱光耀朱冠軍 顧彩香 廖國(guó)忠摘要:納米顆粒作為潤(rùn)滑油添加劑，因其具有優(yōu)異的減摩、抗磨性能表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。文章主要介紹了納米添加劑在潤(rùn)滑油中的分散穩(wěn)定性方面的研究進(jìn)展，綜述了納米添加劑在摩擦學(xué)應(yīng)用和環(huán)境友好型添加劑的發(fā)展，探討了納米潤(rùn)滑油添加劑的抗磨減摩機(jī)理。并對(duì)未來(lái)納米添加劑的發(fā)展進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：納米材料活性劑 摩擦學(xué)性能前言納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)，或由納米基本單元構(gòu)成的材料[1]。由于納米材料具有界面與表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，賦予了其不同于傳統(tǒng)材料的各種獨(dú)特性能，使其具備了特殊的光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的特殊性能，從而使它在光吸收、光電轉(zhuǎn)換、傳熱、磁記錄、催化、燃料、涂料等方面，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和光明的開(kāi)發(fā)前景。隨著納米技術(shù)的持續(xù)進(jìn)展，納米材料的研究和應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。納米潤(rùn)滑材料作為有望率先得到大規(guī)模應(yīng)用的品種之一，非常值得重視。美國(guó)的“國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃（NNI）”中將設(shè)計(jì)和制造能進(jìn)行自修復(fù)的納米材料作為可能取得突破的長(zhǎng)期計(jì)劃[2]。由于納米材料的比表面積大、高擴(kuò)散性、易燒結(jié)性、熔點(diǎn)低、硬度增大等特性，所以將納米粒子作為添加劑應(yīng)用于潤(rùn)滑油中，會(huì)以不同于傳統(tǒng)添加劑的作用方式起到減摩抗磨效果。此時(shí)，這種新型潤(rùn)滑材料不但可以在摩擦表面形成一層易剪切的薄膜降低摩擦因數(shù)，而且還能對(duì)摩擦表面進(jìn)行一定程度的填補(bǔ)和修復(fù)，起到自修復(fù)作用[3]。因此，納米潤(rùn)滑油添加劑具有突出的抗極壓性能和優(yōu)異的抗磨性，較好的潤(rùn)滑性能，適合在重載、低速、高溫下工作。故可以說(shuō)應(yīng)用納米材料添加劑，對(duì)摩擦后期摩擦因數(shù)的降低起到?jīng)Q定性作用，解決了常規(guī)載荷添加劑無(wú)法解決的問(wèn)題。 本文作者擬從納米材料在潤(rùn)滑體系中的應(yīng)用、納米添加劑的潤(rùn)滑機(jī)理等方面加以總結(jié)和探討，并對(duì)納米潤(rùn)滑材料的發(fā)展方向提出看法。1 納米材料在潤(rùn)滑體系中的應(yīng)用1.1納米潤(rùn)滑添加劑的分散穩(wěn)定性研究無(wú)機(jī)納米粒子油溶性差，一般是靠分散劑的作用或借助強(qiáng)力攪拌、超聲分散將納米粒子分散在基礎(chǔ)油中。但是由于納米粒子的比表面積大、表面能高、表面活性大、吸附作用強(qiáng)、具有強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性，因此納米材料在潤(rùn)滑油中的分散的穩(wěn)定成為限制其在潤(rùn)滑油添加劑中應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。研究人員采用了多種方法消除納米粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象，并取得了一定的進(jìn)展。陳金華等[4]采用固相合成法來(lái)制備納米氧化鋅，通過(guò)固相反應(yīng)過(guò)程中加入表面活性劑對(duì)納米氧化鋅進(jìn)行了表面改性，制備了粒徑更小，分散性更好的氧化鋅。馬劍奇等[5]采用液相還原法制備了油溶性銅納米微粒，探討了油溶性cu納米微粒添加劑對(duì)幾種商品潤(rùn)滑油摩擦性能的影響。張淑霞等[6]研究了TiO2 的無(wú)機(jī)包覆，在TiO2 表面包覆一層保護(hù)膜，使之與周?chē)橘|(zhì)之間形成一道屏障，從而降低TiO2的光化學(xué)活性，有利于提高TiO2的分散性、耐候性、抗粉化性。選擇表面活性劑不僅要考慮其油溶分散性，還要考慮表面活性劑解吸后在油---------------------基金項(xiàng)目：上海市教委科研項(xiàng)目（06FZ008）;上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（J50603）作者：朱光耀，上海海事大學(xué) 碩士生 研究方向：摩擦學(xué)，輪機(jī)修造；導(dǎo)師：顧彩香 cxgu@mmc.shmtu.edu.cn中要有良好的摩擦學(xué)性能。目前采用的表面修飾劑主要有：二烷基二硫代磷酸（DDP），烷基磷酸醋，硬脂酸，油酸，EHA，含Ｎ有機(jī)化合物等[7]。1.2納米添加劑的摩擦學(xué)行為研究 從上世紀(jì)八十年代至今，中外的科研人員對(duì)納米材料在摩擦學(xué)上的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作，下面將從抗磨減摩性能和極壓性能兩個(gè)方面的進(jìn)展加以介紹。1.2.1摩擦性能趙修臣等[8]在四球機(jī)上考察了添加不同體積分?jǐn)?shù)的Sn納米粒子潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能，以添加納米Sn粒子的潤(rùn)滑油進(jìn)行摩擦試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)添加的體積分?jǐn)?shù)在0.025%～1.5%之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的磨斑直徑和摩擦力均低于基礎(chǔ)油的磨斑直徑和摩擦力，尤其當(dāng)添加體積分?jǐn)?shù)為0.1%的納米Sn粉時(shí)，磨斑直徑和平均摩擦力均達(dá)到最小值；其中，摩擦力為2.36N，比基礎(chǔ)油的摩擦力降低了16.64%，而磨斑直徑為0.47mm，比基礎(chǔ)油摩擦?xí)r的磨斑直徑降低了38.4%。劉仁德等[9]的研究結(jié)果說(shuō)明，經(jīng)過(guò)表面改性的納米銅粒子能夠有效地改善基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能。在26#白油中，當(dāng)納米銅添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)，其WSD值最小，為基礎(chǔ)油的76.6%;添加劑含量減時(shí)，WSD值略有增加，但均小于基礎(chǔ)油的磨斑直徑，說(shuō)明納米銅有良好的抗磨能力。五邑大學(xué)的陳爽等[10]把油酸修飾PbS納米粒子作為潤(rùn)滑油添加劑，可以明顯提高基礎(chǔ)油的減摩能力，而且摩擦因數(shù)隨著負(fù)荷的增大略有減小趨勢(shì)，當(dāng)負(fù)荷為300N時(shí)，可以使基礎(chǔ)油摩擦因數(shù)降低33％ ，而純液體石蠟潤(rùn)滑下，不同的負(fù)荷時(shí)摩擦因數(shù)基本保持不變。1.2.2極壓性能李慶柱等[11]將粒徑是20～30nm的La2O3粒子加入到500SN的基礎(chǔ)油中,使?jié)櫥途哂袃?yōu)異的極壓性能.當(dāng)添加的粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí),PB值提高了40.8%.郭志光等[12]的研究表明有機(jī)鉬及其復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑對(duì)于鋼/鋼摩擦副具有優(yōu)異的抗磨減摩作用，并具有良好的抗極壓性能。用N68ME添加劑時(shí)，其PB值達(dá)到1 250 N，經(jīng)過(guò)2 h后摩擦副的磨損量幾乎為0。張志梅等[13]將粒徑為20～30nm的銅或錫加入到QD30潤(rùn)滑油中，潤(rùn)滑油的極壓性能有所提高，如把納米銅與納米錫一起加入，潤(rùn)滑油的極壓性能提高更加顯著。董凌等[14]在給定的試驗(yàn)條件下，合成的SiO2/MgO復(fù)合納米粒子添加劑具有優(yōu)良的極壓抗磨減摩性，其添加量在500SN基礎(chǔ)油中有一最佳值，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10％時(shí)，四球試驗(yàn)后鋼球的磨斑直徑最小，PB值最高。2 納米潤(rùn)滑油添加劑的作用機(jī)理 納米潤(rùn)滑材料作為添加劑具有明顯的減摩抗磨作用，但其作用機(jī)理還沒(méi)有真正意義的研究清楚，尚處于推測(cè)的階段。對(duì)其作用機(jī)理的分析，目前主要有以下幾種理論。2.1“滾珠軸承”作用理論納米粒子尺寸較小，近似球形，在摩擦副間可以起到微型球軸承的作用，減少了摩擦阻力,降低了摩擦因數(shù),減少了磨損，從而提高了摩擦表面的潤(rùn)滑性能。顧卓明等[15]認(rèn)為納米材料粉末顆粒近似為球形，它們起類(lèi)似微型“球軸承”的作用，從而提高了摩擦表面的潤(rùn)滑性能。李寶良等[16]認(rèn)為潤(rùn)滑油最大無(wú)卡咬負(fù)荷的大幅提高，可以認(rèn)為是納米粒子在摩擦表面起支撐負(fù)載荷的“滾珠軸承”作用，即納米粒子的尺寸小可以近似看作球型，在摩擦副間像鵝卵石一樣，起支撐負(fù)荷的“滾珠軸承”作用而提高潤(rùn)滑油的抗磨抗極壓性。這種“滾珠軸承”的摩擦原理目前還缺乏進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)論證。2.2薄膜理論在摩擦過(guò)程中納米粒子在摩擦副上形成了一層納米薄膜，納米薄膜的性能不同于一般的薄膜，它的韌性，抗彎，強(qiáng)度均大大優(yōu)于一般薄膜。這層膜減小了摩擦，提高了承載能力，從而減輕了磨損。關(guān)于成膜的原因有以下幾種解釋?zhuān)阂环N解釋認(rèn)為通過(guò)表面修飾劑的物理吸附使納米顆粒沉淀于摩擦表面，生成一層有機(jī)復(fù)合膜，將摩擦副表面隔開(kāi)，起到抗磨減摩的作用，如楚金鳳[17]等認(rèn)為石墨微細(xì)分散于潤(rùn)滑油中顯著改善極壓工況下的潤(rùn)滑特性，油膜承載能力明顯提高。摩擦過(guò)程中石墨吸附含有活性元素或活性基團(tuán)的化合物，提高石墨在摩擦表面的附著力而形成復(fù)合膜；另一種解釋認(rèn)為納米顆粒在摩擦作用、摩擦化學(xué)作用和摩擦電化學(xué)作用下，摩擦副與潤(rùn)滑材料之間產(chǎn)生能量交換和物質(zhì)交換，從而在摩擦表面上形成金屬保護(hù)膜、金屬氧化物保護(hù)膜及金屬硫化物保護(hù)膜，起到減摩抗磨作用，如硼酸銅顆粒[18]在摩擦表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成了由B2O3及FeB等組成的表面保護(hù)膜；還有一種解釋認(rèn)為在摩擦過(guò)程中納米顆粒在摩擦面間相互滑動(dòng)，在速度較高時(shí)，摩擦表面上的微突起和微槽發(fā)生相互嚙合，納米顆粒在壓力作用下就會(huì)進(jìn)入溝槽，由于極壓和壓縮作用在摩擦表面就會(huì)生成大量的熱，在熱的作用下，納米顆粒會(huì)熔化成膜，或是納米顆粒發(fā)生聚集，在摩擦表面間形成一層保護(hù)膜，GLiu等[19]用STM對(duì)摩擦面進(jìn)行觀察，觀測(cè)到了這種沉積現(xiàn)象。2.3修復(fù)作用理論由于納米粒子粒徑小，在壓應(yīng)力的作用下易于沉積于磨損表面微觀缺陷區(qū)域，從而對(duì)磨損表面起到修復(fù)作用。（1）如CuS納米顆粒[20]等極細(xì)的納米顆?？梢蕴畛湓诠ぷ鞅砻娴奈⒖雍蛽p傷部位；（2）郭延寶等人提出如果摩擦磨損的零件某項(xiàng)指標(biāo)能夠反映其新舊程度，并且在添加修復(fù)劑后其舊態(tài)指標(biāo)向新態(tài)指標(biāo)轉(zhuǎn)變，那么就可判定修復(fù)劑有自修復(fù)效果[21]。卓洪等[22]在這個(gè)觀點(diǎn)下做了以下實(shí)驗(yàn)：利用高精度液壓式往復(fù)試驗(yàn)機(jī)研究了納米羥基磷酸鈣、納米二氧化鈦、納米氮化鈦3種納米添加劑潤(rùn)滑條件下GCr15/45鋼對(duì)摩時(shí)的摩擦磨損性能,通過(guò)掃描電子顯微鏡和EDX能譜對(duì)磨斑進(jìn)行了微觀分析。并得到了如下的結(jié)論：a.納米潤(rùn)滑添加劑可以降低摩擦副摩擦因數(shù)和材料磨損量,表現(xiàn)出優(yōu)良的抗磨損性能;b.3種納米添加劑具有不同的自修復(fù)機(jī)制。其中，納米羥基磷酸鈣和納米二氧化鈦的修復(fù)機(jī)制主要為鋪展成膜自修復(fù),而納米氮化鈦為鋪展成膜自修復(fù)和原位摩擦化學(xué)自修復(fù)并存;c.納米氮化鈦的自修復(fù)效果最佳,納米二氧化鈦的自修復(fù)性能最差。3.結(jié)束語(yǔ) 納米顆粒作為潤(rùn)滑油添加劑，因其具有優(yōu)異的減摩、抗磨性能表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步推動(dòng)這一領(lǐng)域研究的發(fā)展，筆者認(rèn)為今后還要在以下方面繼續(xù)開(kāi)展工作：(1)活性劑的選擇是突破納米粒子在潤(rùn)滑油中的分散穩(wěn)定性的重要突破口，也是納米添加劑能夠?qū)嶋H應(yīng)用的前提。研究納米顆粒與其它添加劑的配伍情況，即加強(qiáng)納米顆粒與油品兼容性方面的研究，尤其是納米金屬顆粒對(duì)油品氧化安定性影響的研究。(2)對(duì)納米潤(rùn)滑材料的研究，從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，應(yīng)當(dāng)注意深入系統(tǒng)地研究納米顆粒組成、粒徑、修飾劑成分等對(duì)潤(rùn)滑劑性能的影響，探討抗磨或“自修復(fù)”機(jī)制，以指導(dǎo)納米潤(rùn)滑添加劑的研究開(kāi)發(fā)。(3)同時(shí)還應(yīng)設(shè)計(jì)和發(fā)展具有良好抗磨性能、提高承載能力、對(duì)磨損表面具有一定磨損修復(fù)功能、對(duì)環(huán)境無(wú)污染或少污染的新型納米潤(rùn)滑油添加劑，以滿(mǎn)足高科技應(yīng)用和環(huán)保方面的需要。參考文獻(xiàn)：[1]袁哲?。{米科學(xué)與技術(shù)[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005：185—187．[2]王曉勇，陳月珠．納米材料在潤(rùn)滑技術(shù)中的應(yīng)用[J]．2001，15(2):27-30[3]歐文忠,徐濱士,馬世寧,等.納米材料在表面工程中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]．中國(guó)表面工程，2000，13(2): 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