爱华网| 纳米材料在润滑油中的应用及发展趋势 （信息时间：2009-1-8阅读次数： |
| 纳米材料在润滑油中的应用及发展趋势虹口区金属材料热处理协会上海海事大学商船学院朱光耀朱冠军 顾彩香 廖国忠摘要:纳米颗粒作为润滑油添加剂，因其具有优异的减摩、抗磨性能表现出了广阔的应用前景。文章主要介绍了纳米添加剂在润滑油中的分散稳定性方面的研究进展，综述了纳米添加剂在摩擦学应用和环境友好型添加剂的发展，探讨了纳米润滑油添加剂的抗磨减摩机理。并对未来纳米添加剂的发展进行展望。关键词：纳米材料活性剂 摩擦学性能前言纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内，或由纳米基本单元构成的材料[1]。由于纳米材料具有界面与表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，赋予了其不同于传统材料的各种独特性能，使其具备了特殊的光学、热学、磁学、力学以及化学方面的特殊性能，从而使它在光吸收、光电转换、传热、磁记录、催化、燃料、涂料等方面，具有重要的应用价值和光明的开发前景。随着纳米技术的持续进展，纳米材料的研究和应用范围也在不断扩大。纳米润滑材料作为有望率先得到大规模应用的品种之一，非常值得重视。美国的“国家纳米技术计划（NNI）”中将设计和制造能进行自修复的纳米材料作为可能取得突破的长期计划[2]。由于纳米材料的比表面积大、高扩散性、易烧结性、熔点低、硬度增大等特性，所以将纳米粒子作为添加剂应用于润滑油中，会以不同于传统添加剂的作用方式起到减摩抗磨效果。此时，这种新型润滑材料不但可以在摩擦表面形成一层易剪切的薄膜降低摩擦因数，而且还能对摩擦表面进行一定程度的填补和修复，起到自修复作用[3]。因此，纳米润滑油添加剂具有突出的抗极压性能和优异的抗磨性，较好的润滑性能，适合在重载、低速、高温下工作。故可以说应用纳米材料添加剂，对摩擦后期摩擦因数的降低起到决定性作用，解决了常规载荷添加剂无法解决的问题。 本文作者拟从纳米材料在润滑体系中的应用、纳米添加剂的润滑机理等方面加以总结和探讨，并对纳米润滑材料的发展方向提出看法。1 纳米材料在润滑体系中的应用1.1纳米润滑添加剂的分散稳定性研究无机纳米粒子油溶性差，一般是靠分散剂的作用或借助强力搅拌、超声分散将纳米粒子分散在基础油中。但是由于纳米粒子的比表面积大、表面能高、表面活性大、吸附作用强、具有强烈的不稳定性，因此纳米材料在润滑油中的分散的稳定成为限制其在润滑油添加剂中应用的主要问题之一。研究人员采用了多种方法消除纳米粒子的团聚现象，并取得了一定的进展。陈金华等[4]采用固相合成法来制备纳米氧化锌，通过固相反应过程中加入表面活性剂对纳米氧化锌进行了表面改性，制备了粒径更小，分散性更好的氧化锌。马剑奇等[5]采用液相还原法制备了油溶性铜纳米微粒，探讨了油溶性cu纳米微粒添加剂对几种商品润滑油摩擦性能的影响。张淑霞等[6]研究了TiO2 的无机包覆，在TiO2 表面包覆一层保护膜，使之与周围介质之间形成一道屏障，从而降低TiO2的光化学活性，有利于提高TiO2的分散性、耐候性、抗粉化性。选择表面活性剂不仅要考虑其油溶分散性，还要考虑表面活性剂解吸后在油---------------------基金项目：上海市教委科研项目（06FZ008）;上海市教委重点学科建设项目（J50603）作者：朱光耀，上海海事大学 硕士生 研究方向：摩擦学，轮机修造；导师：顾彩香 cxgu@mmc.shmtu.edu.cn中要有良好的摩擦学性能。目前采用的表面修饰剂主要有：二烷基二硫代磷酸（DDP），烷基磷酸醋，硬脂酸，油酸，EHA，含Ｎ有机化合物等[7]。1.2纳米添加剂的摩擦学行为研究 从上世纪八十年代至今，中外的科研人员对纳米材料在摩擦学上的应用进行了大量的研究工作，下面将从抗磨减摩性能和极压性能两个方面的进展加以介绍。1.2.1摩擦性能赵修臣等[8]在四球机上考察了添加不同体积分数的Sn纳米粒子润滑油的摩擦学性能，以添加纳米Sn粒子的润滑油进行摩擦试验时，当添加的体积分数在0.025%～1.5%之间时，对应的磨斑直径和摩擦力均低于基础油的磨斑直径和摩擦力，尤其当添加体积分数为0.1%的纳米Sn粉时，磨斑直径和平均摩擦力均达到最小值；其中，摩擦力为2.36N，比基础油的摩擦力降低了16.64%，而磨斑直径为0.47mm，比基础油摩擦时的磨斑直径降低了38.4%。刘仁德等[9]的研究结果说明，经过表面改性的纳米铜粒子能够有效地改善基础油的摩擦学性能。在26#白油中，当纳米铜添加剂的质量分数为5.0%时，其WSD值最小，为基础油的76.6%;添加剂含量减时，WSD值略有增加，但均小于基础油的磨斑直径，说明纳米铜有良好的抗磨能力。五邑大学的陈爽等[10]把油酸修饰PbS纳米粒子作为润滑油添加剂，可以明显提高基础油的减摩能力，而且摩擦因数随着负荷的增大略有减小趋势，当负荷为300N时，可以使基础油摩擦因数降低33％ ，而纯液体石蜡润滑下，不同的负荷时摩擦因数基本保持不变。1.2.2极压性能李庆柱等[11]将粒径是20～30nm的La2O3粒子加入到500SN的基础油中,使润滑油具有优异的极压性能.当添加的粒子质量分数为0.8%时,PB值提高了40.8%.郭志光等[12]的研究表明有机钼及其复合纳米润滑添加剂对于钢/钢摩擦副具有优异的抗磨减摩作用，并具有良好的抗极压性能。用N68ME添加剂时，其PB值达到1 250 N，经过2 h后摩擦副的磨损量几乎为0。张志梅等[13]将粒径为20～30nm的铜或锡加入到QD30润滑油中，润滑油的极压性能有所提高，如把纳米铜与纳米锡一起加入，润滑油的极压性能提高更加显著。董凌等[14]在给定的试验条件下，合成的SiO2/MgO复合纳米粒子添加剂具有优良的极压抗磨减摩性，其添加量在500SN基础油中有一最佳值，当添加质量分数大于10％时，四球试验后钢球的磨斑直径最小，PB值最高。2 纳米润滑油添加剂的作用机理 纳米润滑材料作为添加剂具有明显的减摩抗磨作用，但其作用机理还没有真正意义的研究清楚，尚处于推测的阶段。对其作用机理的分析，目前主要有以下几种理论。2.1“滚珠轴承”作用理论纳米粒子尺寸较小，近似球形，在摩擦副间可以起到微型球轴承的作用，减少了摩擦阻力,降低了摩擦因数,减少了磨损，从而提高了摩擦表面的润滑性能。顾卓明等[15]认为纳米材料粉末颗粒近似为球形，它们起类似微型“球轴承”的作用，从而提高了摩擦表面的润滑性能。李宝良等[16]认为润滑油最大无卡咬负荷的大幅提高，可以认为是纳米粒子在摩擦表面起支撑负载荷的“滚珠轴承”作用，即纳米粒子的尺寸小可以近似看作球型，在摩擦副间像鹅卵石一样，起支撑负荷的“滚珠轴承”作用而提高润滑油的抗磨抗极压性。这种“滚珠轴承”的摩擦原理目前还缺乏进一步的实验论证。2.2薄膜理论在摩擦过程中纳米粒子在摩擦副上形成了一层纳米薄膜，纳米薄膜的性能不同于一般的薄膜，它的韧性，抗弯，强度均大大优于一般薄膜。这层膜减小了摩擦，提高了承载能力，从而减轻了磨损。关于成膜的原因有以下几种解释：一种解释认为通过表面修饰剂的物理吸附使纳米颗粒沉淀于摩擦表面，生成一层有机复合膜，将摩擦副表面隔开，起到抗磨减摩的作用，如楚金凤[17]等认为石墨微细分散于润滑油中显著改善极压工况下的润滑特性，油膜承载能力明显提高。摩擦过程中石墨吸附含有活性元素或活性基团的化合物，提高石墨在摩擦表面的附着力而形成复合膜；另一种解释认为纳米颗粒在摩擦作用、摩擦化学作用和摩擦电化学作用下，摩擦副与润滑材料之间产生能量交换和物质交换，从而在摩擦表面上形成金属保护膜、金属氧化物保护膜及金属硫化物保护膜，起到减摩抗磨作用，如硼酸铜颗粒[18]在摩擦表面发生摩擦化学反应，生成了由B2O3及FeB等组成的表面保护膜；还有一种解释认为在摩擦过程中纳米颗粒在摩擦面间相互滑动，在速度较高时，摩擦表面上的微突起和微槽发生相互啮合，纳米颗粒在压力作用下就会进入沟槽，由于极压和压缩作用在摩擦表面就会生成大量的热，在热的作用下，纳米颗粒会熔化成膜，或是纳米颗粒发生聚集，在摩擦表面间形成一层保护膜，GLiu等[19]用STM对摩擦面进行观察，观测到了这种沉积现象。2.3修复作用理论由于纳米粒子粒径小，在压应力的作用下易于沉积于磨损表面微观缺陷区域，从而对磨损表面起到修复作用。（1）如CuS纳米颗粒[20]等极细的纳米颗粒可以填充在工作表面的微坑和损伤部位；（2）郭延宝等人提出如果摩擦磨损的零件某项指标能够反映其新旧程度，并且在添加修复剂后其旧态指标向新态指标转变，那么就可判定修复剂有自修复效果[21]。卓洪等[22]在这个观点下做了以下实验：利用高精度液压式往复试验机研究了纳米羟基磷酸钙、纳米二氧化钛、纳米氮化钛3种纳米添加剂润滑条件下GCr15/45钢对摩时的摩擦磨损性能,通过扫描电子显微镜和EDX能谱对磨斑进行了微观分析。并得到了如下的结论：a.纳米润滑添加剂可以降低摩擦副摩擦因数和材料磨损量,表现出优良的抗磨损性能;b.3种纳米添加剂具有不同的自修复机制。其中，纳米羟基磷酸钙和纳米二氧化钛的修复机制主要为铺展成膜自修复,而纳米氮化钛为铺展成膜自修复和原位摩擦化学自修复并存;c.纳米氮化钛的自修复效果最佳,纳米二氧化钛的自修复性能最差。3.结束语 纳米颗粒作为润滑油添加剂，因其具有优异的减摩、抗磨性能表现出了广阔的应用前景。为了进一步推动这一领域研究的发展，笔者认为今后还要在以下方面继续开展工作：(1)活性剂的选择是突破纳米粒子在润滑油中的分散稳定性的重要突破口，也是纳米添加剂能够实际应用的前提。研究纳米颗粒与其它添加剂的配伍情况，即加强纳米颗粒与油品兼容性方面的研究，尤其是纳米金属颗粒对油品氧化安定性影响的研究。(2)对纳米润滑材料的研究，从发展趋势来看，应当注意深入系统地研究纳米颗粒组成、粒径、修饰剂成分等对润滑剂性能的影响，探讨抗磨或“自修复”机制，以指导纳米润滑添加剂的研究开发。(3)同时还应设计和发展具有良好抗磨性能、提高承载能力、对磨损表面具有一定磨损修复功能、对环境无污染或少污染的新型纳米润滑油添加剂，以满足高科技应用和环保方面的需要。参考文献：[1]袁哲俊．纳米科学与技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005：185—187．[2]王晓勇，陈月珠．纳米材料在润滑技术中的应用[J]．2001，15(2):27-30[3]欧文忠,徐滨士,马世宁,等.纳米材料在表面工程中应用的研究进展[J]．中国表面工程，2000，13(2): 5-9．[4]陈金华，樊桢，周海晖，等．表面活性剂对纳米氧化锌合成与分散性的影响[J]．湖南大学学报：自然科学版，2004，31(6)：1-5．[5]马剑奇，王晓波，崔若梅．油溶性cu纳米微粒添加剂对几种商品润滑油摩擦性能的影响[J]．润滑与密封，2004(3)：52-54．[6]张淑霞，李建保，张波，等．TiO颗粒表面无机包覆的研究进展[J]．化学通报，2001(2)：71-75．[7]欧文忠,徐滨士,丁培道,等.纳米润滑材料应用研究进展[J]．材料学报，2001，14(8): 28-30．[8]赵修臣,宣瑜,刘颖,张弛.纳米Sn粒子的制备及其作润滑油添加剂的摩擦学性能研究[J].润滑与密封,2007(1):108-110.[9] 刘仁德,梁敬辉,陶德华.表面修饰纳米铜粒子的制备及其摩擦学性能[J].润滑与密封,2007(3): 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