新型潤滑技術研究進展

盛麗萍　李芬芳　范成凱

摘要：隨著能源、環境問題的突出，為了生態環境的可持續發展，近年摩擦學領域緊跟時代需要以綠色、高效、多功能作為潤滑技術的發展新方向，并發展了多種新興潤滑技術。文章主要介紹了納米潤滑技術、化學熱處理改性表面、液晶、氣相潤滑等，并綜述了上述新興技術在摩擦學領域的新成果、新發現，總結機理為下一步研究奠定基礎。這些潤滑技術不但可以滿足現代機械工業需求，同時兼顧環境友好，為現代工業發展提供了無限可能。

關鍵詞：納米；富勒烯；化學熱處理；液晶；氣相潤滑

中圖分類號：TE626.3 文獻標識碼：A

Research Progress of New Lubricating Technology

SHENG Li-ping, LI Fen-fang, FAN Cheng-kai

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract:With the graveness of energy and environment issues, the new development direction of green, efficient and multipurpose was put forward for the field of tribology in order to realize the sustainable development of ecological environment. And under this background, a variety of new lubricant technologies were developed. In this paper, the nano-lubrication technology, chemical heat treatment modified surface, liquid crystal and gas lubrication are mainly introduced. And the new results, new discoveries and mechanisms of the above new emerging technologies are reviewed. These lubrication technologies not only meet the needs of modern machinery industry, but also satisfy the demands of environment-friendly, providing endless possibilities for modern industrial development.

Key words:nanometer; fullerene; chemical heat treatment; liquid crystal; gas lubrication

0 前言

摩擦消耗了世界上一次性能源的1/3以上，磨損是材料與機械設備失效的3種主要形式之一。潤滑則是減少摩擦、降低或避免磨損的最有效手段。僅在我國，每年因摩擦導致的機械磨損所損耗的材料高達幾百億元［1］，并且由于我國石油資源的短缺，造成了經濟快速發展與石油需求之間的矛盾，解決這一矛盾的有效途徑之一為“減少摩擦、降低磨損、提高油品的燃油經濟性、節約能源”。因此“減少摩擦、降低磨損、改善潤滑條件、節約能源”已成為我國各行業科技攻關的重大課題之一。隨著現代工業的發展，預計今后國內潤滑油需求總量年均增長2.25%。目前，中國潤滑油的消費量僅次于美國，居世界第二位，至2010年預計消費總量達到470~480萬t，中國潤滑油的消費量將超過美國成為世界第一［2］。

在市場迫切需求之下，新型潤滑技術開發成為科學家們的研究熱點。摩擦學者們已經將其與交叉學科相結合，提出了很多創新性、高效性的潤滑減摩技術。本文總結了近年來迅速發展起來的納米潤滑、化學熱處理改性表面、液晶、氣相潤滑等技術，這些技術的出現，使摩擦學呈現出一個多角度、多層面的研究空間，也展示了一個全新的摩擦學發展方向。

1 納米潤滑技術

納米科學技術是20世紀90年代興起的高新技術，在全世界極受重視并得到了飛速發展。隨著納米摩擦學的深入研究，表明納米粒子在潤滑與摩擦學方面具有特殊的抗磨減摩和高載荷能力等摩擦學性質，可以用作潤滑油新型抗磨劑［3-4］。由于它們具有量子力學上的強關聯性而表現出完全不同于宏觀和微觀世界的介觀性質，能夠在摩擦表面以納米顆粒或納米膜的形式存在，具有良好的潤滑性能和減摩性能。因此在潤滑油中添加納米潤滑材料，可

顯著地提高潤滑性能和承載能力，減少添加劑用量，特別適用于條件苛刻的潤滑場合，這為潤滑油的發展注入了新的活力。國內外對納米潤滑材料的研究十分活躍，目前用作潤滑添加劑研究的納米材料歸納起來如表1［5-6］。

同時許多學者也研究了納米氫氧化物［7］和納米硼酸鹽［8-10］的摩擦學性能，如氫氧化鎳、氫氧化錳、氫氧化鈷、氫氧化鑭、硼酸鋅、硼酸鈦、硼酸鎂、硼酸鈣等，發現納米硼酸鹽優于納米氫氧化物及納米氧化物，具有極好的摩擦學性能。其抗磨減摩機理是：硼酸鹽在摩擦副上發生摩擦化學反應，生成如B₂O₃、FeB及Fe₂B等具有抗磨減摩性能的物質。

富勒烯，即C₆₀，以其獨特的分子結構、強的抗壓能力(耐壓能力高于鉆石，顯微硬度高達18 GPa)、強的分子內作用力以及弱的分子間作用力、低的表面能［11-13］等等，得到了研究者的青睞。閻逢元等［14］試驗發現1.0%的C₆₀/C70分散到石蠟油中，可使石蠟油極壓負荷提高3倍，摩擦系數降低1/3，明顯降低了摩擦副的磨損。經過水溶改性后的富勒烯，能在水中穩定存在，并顯示了優良的摩擦性能。江貴長［15］等合成出一種葫蘆型水溶石墨，透射電鏡觀察到該微粒直徑為15~20 nm，將其添加到三乙醇胺的水溶液中，該添加劑能顯著提高基礎液極壓值，降低磨斑直徑，并使摩擦系數從0.232降低到0.059。

納米粒子的抗磨減摩性能，實際是與納米粒子種類、結構、大小以及表面修飾劑的種類等密切相關。而對其抗磨機制，目前尚沒有統一解釋，比較一致的觀點有［16-19］:① 通過類似“微軸”作用，減少摩擦阻力，降低摩擦系數；② 在摩擦條件下, 納米微粒在摩擦副表面形成光滑保護層；③ 填充摩擦副表面的微坑和損傷部位，起修復作用。 有些研究者認為，納米微粒添加劑的作用機理不同于傳統添加劑，與其本身所具有的納米效應有關。在摩擦過程中，因摩擦表面局部溫度高，納米微粒尤其像n-TiO₂這類微粒極有可能處于熔化、半熔化或燒結狀態，從而形成一層納米膜，該薄膜的韌性、抗彎強度均大大優于一般薄膜。納米添加劑的這一性能，可望解決在抗磨和極壓添加劑分子設計上長期依賴S、P、Cl等活性元素的狀況，為解決S、P、Cl對基體金屬造成的腐蝕和帶來的環境問題展示了美好的應用前景。另外，納米材料粉末通過摩擦過程中的摩擦化學作用在磨斑表面形成沉積膜，或者通過元素擴散作用滲透入表面層形成強化層提高了表面的耐磨性。像納米硼酸鹽粒子由于帶電荷而向表面移動并沉積于摩擦表面成膜，這些膜是非晶體或無定型的膜，在空氣中40 ℃仍能保持穩定。利用納米材料粉末作為潤滑油添加劑的抗磨減摩機理可能是以上幾種機理的聯合作用，確切的機理以及相關影響因素還有待于進一步深入研究。

2 化學熱處理改性表面

表面化學熱處理屬于改變化學成分的固態相變合金化，是利用固態擴散使其他元素滲入金屬表面的一種熱處理工藝。滲入的元素被吸附并擴散進入表面層，從而改變金屬材料表面化學成分和組織結構，提高材料的機械及力學等性能。研究表明，適宜的化學熱處理可以改善材料表面的綜合性能，比如材料硬度、耐腐蝕性能、耐熱性能及耐磨性能等，同時也可延長使用壽命，節約原材料，降低成本［20］。表面處理技術已取得了很高的經濟效益和社會效益。正因如此，化學熱處理中的滲碳、碳氮共滲、滲氮、氮碳共滲、滲硫、硫氮共滲、硫氮碳共滲、滲硼和滲硅，以及滲金屬如滲鉻、滲鋁、滲鋅、滲鈦和碳化物覆層等在摩擦學表面改性領域得到了廣泛關注［21］。按照目前流行的表面化學熱處理工藝總結出表2［22-23］。

以化學熱處理滲硫為例，通過電解滲硫和低溫離子滲硫均可獲得FeS表面改性層，而FeS改性層作為一種高熔點、易剪切的無機保護層具有良好的固體潤滑作用，可顯著減輕摩擦磨損［24］。滲硼可以提高金屬材料的硬度、耐磨性能、抗擦傷性能及耐腐蝕性。其改性層一般由FeB和Fe₂B兩相組成，在滲硼時加入稀土元素可以提高滲硼速度，并改善滲硼層的組織結構，使組織致密、均勻，提高表層韌性和塑性、耐腐蝕性、耐磨性和抗疲勞性能［25］。與之相似，滲鋅、滲硅可以提高金屬材料的耐蝕性。現在人們常將多種元素共滲，以獲得摩擦學性能和力學性能均較理想的新型改性表面，比如碳氮共滲、氮碳共滲、硫氮共滲、硼硅共滲、硼鉻共滲等。硫氮共滲的外層為很軟的FeS，其作用是改善潤滑條件，保證在磨合時防止粘著，在FeS層下面是軟氮化滲層，它具有很高的耐磨性。硫氮共滲可用于處理碳鋼、合金鋼和鑄鐵等。

表面改性技術和分析手段的發展對摩擦學理論研究和實際應用起到了促進作用，一方面,隨著多層復合膜、亞穩態膜和納米結構膜摩擦學研究的深入，人們對摩擦副材料及潤滑劑在摩擦過程中的性能變化及其相互作用的認識不斷深入。另一方面,隨著工業高新技術的不斷發展，對高強度、高耐磨性和高抗腐蝕性的摩擦學材料的需求日益增加，對傳統摩擦學研究及潤滑技術提出了嚴峻的挑戰，促使人們進一步關注摩擦學表面工程研究以及添加劑同表面改性技術的相關性。

3 液晶潤滑

液晶是介于固態和液態之間的一類化合物，是除固、液、氣態之外的第四態。液晶可分為兩類: 溶致液晶(Lyotropic LiquidCrystal, LLC)和熱致液晶(Thermotropic LiquidCrystal, TLC)［26］。熱致液晶又可分為近晶型(smectic)、向列型(nematic)和膽甾型(cholesteric)。向列相和膽甾相特別適用于潤滑，而近晶相有很好的耐壓性［27］。液晶在物理性質上表現為液體，但它卻具有有序介質的性質，使之呈現固體的抗壓性能，阻止摩擦表面間的直接接觸；在滑動剪切方向，液晶在高載荷下又呈現出低粘度的液體流動性，從而獲得極低的剪切阻力。因此，將液晶作為潤滑添加劑和新型潤滑材料均有不同程度的減摩抗磨效果，其優良的摩擦性能在金屬、陶瓷、玻璃、關節和聚合物等各種材質摩擦副的減摩抗磨性能中得到了廣泛應用［28-29］。

液晶有著優良的摩擦學特性。如盧頌峰等［30］將1%正辛基苯甲酸液晶加入汽輪機油中，結果表明其與不加添加劑時相比較，磨損量降低44%，摩擦因數降低31%～47%，同時縮短一半的磨合時間，降低磨損量；四球機試驗表明最大無卡咬負荷F_B增加21%。溶致液晶進行化學修飾后可使液晶在邊界潤滑條件下具有更低的摩擦系數和較高的承裁能力。如在三乙醇胺烷基苯磺酸酯液晶體系中，引入苯乙烯聚合物和十六碳烯聚合物，可使其球盤摩擦試驗的摩擦系數由0.06～0.08降至0.03～0.04，承裁能力提高5倍［31］。Bermddez M. D.等曾對一系列的4,4′-二烷基偶氮苯、4,4′-二烷氧基偶氮苯、4,4′-二烷基氧化偶氮苯、氰基化合物進行了摩擦性能研究。研究表明1.0%的液晶添加劑就能顯著降低基礎油（西班牙產）的摩擦系數，其數據列于表3［32］。

液晶潤滑是機械、化學、物理甚至包括生物(仿生學) 等多學科的交叉領域, 它的發展依賴各學科的合作和相互滲透。液晶化合物的特殊結構使得其在摩擦學領域已經占有一席之地。但目前國內在液晶潤滑的理論研究還十分薄弱，因此加強這方面的理論和應用研究勢必對開發新型潤滑劑具有很大的推動作用。其中，膽甾型液晶合成簡單、成本較低，且不含硫、磷、氯等腐蝕性元素，是一類環境友好的化合物，將具有更好的發展前景。見圖1。

4 氣相潤滑技術

隨著科學技術的發展，高轉速高功耗的工業機器層出不窮，傳統的油脂潤滑劑在轉速、精度、功耗等要求不高的情況下能基本適用生產和生活的需要。但對于軸承轉速在50×104 r/min以上基本上就無能為力了。傳統油潤滑僅減小了接觸摩擦副間的摩擦，但其功耗相對還是較大且隨著時間的推移越來越大，這樣無疑降低機器傳動效率，增加了運行成本。另外由于油脂本身的特性決定了一些潤滑區域是其禁區，如高溫情況下，油脂容易揮發；低溫情況下，油脂容易凝固；有輻射的環境中油脂容易變質等等。而氣相潤滑可以克服這些缺點，打破了傳統潤滑劑的禁區［33］。氣體潤滑是通過動壓或靜壓方式由具有足夠壓力的氣膜將運動副摩擦表面隔開，承受外力作用，從而降低運動時的摩擦阻力與表面磨損。氣體潤滑技術的出現打破了液體潤滑的一統天下，使潤滑技術產生了質的飛躍。氣體作為潤滑劑的支承元件具有以下幾方面長處［34］：

(1)摩擦磨損低，在高速下發熱小，溫升低；

(2)由于溫度而引起的氣體粘度變化小，工作溫度范圍廣；

(3)氣體潤滑膜比液體潤滑膜要薄得多，在高速支承中容易獲得較高的回轉精度；

(4)氣體潤滑劑取用方便，不會變質，不引起支承元件及周圍環境的污染；

(5)在放射性環境或其他特殊環境下能正常工作，不受放射能等的影響。

用作潤滑劑的氣體有空氣、氮、氦、一氧化碳、硫化氫、水蒸氣等。Irwin L. Singer等將H₂S氣體在1.3 Pa的壓力下吹入高真空的SiC滑針與鉬金屬之間，使其摩擦系數從0.7降至0.01，當滑行速度降至0.2 mm/s時，摩擦系數竟突然降至了0.001的一個極低值。這預示著氣體潤滑與潤滑材料相結合基本可以實現“超潤滑”［35］。

人們現已將氣相潤滑技術應用到了機床、氣動牙鉆、測量儀、陀螺儀、透平氦膨脹機、紡織機械類設備儀器上。氣體軸承就是氣體潤滑技術開發出的核心產品［33］。它是利用氣膜支承負荷減少摩擦的機械構件，可使軸承速度提高5~10倍，支承精度提高2個數量級，功耗降低3個數量級，工作壽命則增長了數10倍。同時還打開了常規支承所長期回避的一些潤滑禁區，如高速支承、低摩擦低功耗支承、高精密支承以及超高溫、低溫、有輻射等特殊工況下的支承，這無疑是支承形式與潤滑技術上的一次革命。

新興的氣態切削劑由于具有良好的冷卻和潤滑作用，在金屬加工液中得到了迅速發展。某些氣體還可以氧化切削中的新鮮表面,防止刀具熔融金屬, 減少摩擦，從而獲得迅速的推廣應用。另外,氣體的對流和液體汽化都有良好的冷卻能力。空氣是最常見的氣態切削劑,也是干切削時唯一的切削劑。將壓縮空氣直接吹到切削區域，強迫對流以減少切削熱, 同時吹走切屑。氬、氦和氮等墮性氣體還可用來防止工件和切屑的氧化。也可用沸點低于室溫的氣體作切削劑, 如向切削點吹入壓縮的氟里昂(氟氯烷烴)或二氧化碳氣體,由于蒸發,加工溫度可達零下幾十度,可大大提高刀具壽命,且透明不會污染工件及設備。但成本高,特殊情況才使用。氣相潤滑技術可解決金屬材料的高溫潤滑問題。

我國在氣體潤滑理論與應用方面同國外相比起步較晚，特別是在應用方面和試驗技術方面與發達國家還有一定差距。因此，在進行理論研究的同時，應大力推廣和應用這種先進的潤滑技術，推動我國機械工業裝備技術的發展。

5 潤滑技術展望

隨著科技的發展、社會的進步和生存價值觀念的轉變，人們對自身的安全、健康和全球環保意識的不斷增強，對使用和研制安全、健康和環境友好的生態化潤滑劑的呼聲越來越高，為了生態環境的可持續發展，安全、高效和環保問題必將成為選用和發展潤滑劑的重點考慮因素之一，研制安全、高效和對環境無害的生態潤滑劑在21世紀必將得到迅速發展。

目前納米技術、化學熱處理改性表面、液晶、氣相潤滑等技術正是在這種呼聲下新興發展起來的。雖然它們還不十分成熟，但是其優良潤滑性質，展示了美好的潤滑前景。隨著對納米材料研究的不斷深入，納米材料將起到不可估量的作用。未來的新興潤滑油抗磨劑，無論是納米粒子、液晶或者富勒烯類還是其他類化合物，應不僅僅只具有優異的抗磨減摩性能，而應像ZnDDP那樣，還具有如抗氧化、抗腐蝕、催化減活等其他性能。經過特殊化學熱處理的改性表面將在一些特殊而苛刻的工況下發揮其獨特作用。氣相潤滑使潤滑技術產生了質的飛躍。它將綠色、高效、多功能、長壽命等優點集于一身。其核心產品氣體軸承具有滾動軸承和滑動軸承無法比擬的速度高、精度高、功耗低等優點，當然也尚存在剛度低、可靠性尚不令人滿意等亟需改善的缺點。

綜上，為了滿足現代工業發展和環境保護的需要，未來新興潤滑劑和潤滑技術必須立足高速發展的現代工業，同時兼顧環境友好，即滿足綠色、高效、多功能(或多效化)的多重要求。新興的潤滑技術已為現代工業、國防等領域的發展提供了無限可能，相信通過我們的努力屆時必將會有很多奇特的潤滑材料出現，“超潤滑”、“零摩擦”的新型潤滑材料的出現完全有可能，讓我們共同期待一個嶄新潤滑時代的到來。

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收稿日期:2008-04-16。

基金項目：總后勤部軍需物資油料部資助項目（需物油科［2006］357號）；湖南省科技計劃項目（06FJ4112）

作者簡介：盛麗萍（1982－），女，中南大學化學化工學院在讀研究生，研究方向為環境友好型潤滑材料，已公開發表文章2篇。