納米材料在摩擦學中的應用

董 凱，郭軍武

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

納米材料在摩擦學中的應用

董 凱，郭軍武

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

納米潤滑油添加劑具有良好的抗磨減摩效果，綜述了納米添加劑的分類及其作用機理，并以納米石墨烯為例，重點介紹了石墨烯作為潤滑油添加劑的相關研究，并對今后納米材料應用于潤滑油領域的研究做了展望。

納米；石墨烯；減摩

摩擦磨損消耗了世界上一半以上的能源，選擇合適的潤滑油能夠明顯提升摩擦副表面潤滑效果，減少磨損帶來的損失，潤滑油已經成為機械行業不可缺少的重要物質之一。為提高潤滑油的性能，常在潤滑油中添加各類添加劑，目前常用的潤滑油添加劑普遍含有S、P、Cl等元素，容易造成機械設備的腐蝕及環境污染，已越來越不能適應當前機械設備的發展需要及環保法規要求。納米材料粒徑小、表面能高，具有不同于其他材料的特殊性能，這些性能能使納米材料在化工、生物工程、航天航空等行業應用廣泛，研究表明，潤滑油中添加適量的納米顆粒，能夠改善潤滑條件，減少磨損，且有利于減少發動機尾氣污染物排放。

納米粒子有較高的表面活性和表面能，摩擦過程中，潤滑油中的納米粒子吸附在摩擦副表面，或者與摩擦表面金屬發生化學反應，生成一層保護膜，起到隔離金屬部件的作用。 納米粒子尺寸較小，可以部分滲透到金屬基體，還可以填補摩擦副表面凹坑，修補受損表面，同時，作用在摩擦副表面可以起到滾珠作用，還可以拋光金屬接觸面微小的突起，使摩擦表面更加光滑，降低摩擦副表面摩擦系數。

1 納米潤滑油添加劑的分類及其摩擦性能

1.1 納米硫化物和納米氮化物

WS2、MoS2、納米氮化硼、納米氮化硅等無機物添加到潤滑油有良好的抗磨減摩效果，應用廣泛，李長生等制備了粒徑為50 nm的WS2顆粒，在N40基礎油中研究了其摩擦學性能，發現在高載荷下，油樣中添加10wt% WS2具有良好的潤滑效果[1]，于旭光等用不同方法分別制備了納米MoS2顆粒和納米MoS2纖維，并分別研究了不同形態納米MoS2的摩擦學特性，發現納米MoS2顆粒減摩抗磨性能良好，其在摩擦副表面與金屬生成含有氧化鉬、氧化亞鐵的化學反應膜，降低了摩擦系數，而納米MoS2纖維雖然也有一定的減摩抗磨作用，但效果不如納米MoS2顆粒，原因可能是其吸附能力差且不能在摩擦表面發揮滾軸承的作用[2]。

1.2 納米無機單質

富勒烯、碳納米管、納米石墨、納米金剛石等有良好的潤滑效果，姚延立利用水下電弧放電法制備了納米洋蔥狀富勒烯微粒，選用15W-40汽油機油為基礎油，在四球驗證機上考察了其摩擦學性能，研究表明，添加0.02%納米洋蔥狀富勒烯可以使基礎油極壓值達到最大，此時磨斑直徑亦最小，添加0.02%質量分數納米洋蔥狀富勒烯顆粒可以有效改善基礎油潤滑性能[3]。程嘉興等研究了不同粒徑納米石墨在鋰基脂中的抗磨減摩性能，發現35 nm石墨對低負荷下鋰基脂抗磨性能提升有限，但能顯著提升高負荷下鋰基脂的抗磨性能，35 nm石墨較100 nm石墨作用于鋰基脂有更好的效果[4]。

1.3 納米金屬單質

主要包括納米Cu、Ni、Al、Ag、Zn、Pb等[5]，納米金屬又分硬金屬和軟金屬，不同種類金屬作用機理不同，金屬微粒在分散劑作用下穩定地懸浮于潤滑油中，摩擦過程中部分吸附或滲入到摩擦表面，與其他元素發生物化反應，形成穩定的潤滑油膜，同時填補磨損，增強表面金屬抗氧化和抗腐蝕能力。伏喜勝等制備了粒徑3～7 nm的的油溶性銅顆粒，選用SJ 15W/40汽油機油作為基礎油在端面實驗機上進行了納米銅顆粒的摩擦性能試驗，試驗表明，油溶性納米銅在摩擦面表面形成低剪切的吸附油膜，改善潤滑表面的形貌[6]。

1.4 納米氧化物和納米氫氧化物

此類添加劑主要有AL2O3、SIO2、PbO2、Fe3O2、TiO2、Ni(OH)2、Mg(OH)2等納米粒子，研究表明在最佳添加量下，Al2O3/SiO2復合納米顆粒將在摩擦表面形成具有自修復功能的化學吸附膜、物理吸附膜及共晶自修復膜，從而保護摩擦表面，降低磨損。王立光等用乙醇超臨界干燥技術制備了粒徑為30～80 nm的晶狀氫氧化鎳，選用山梨醇單硬脂酸酯作為分散劑，研究了納米氫氧化鎳在500SN基礎油中的摩擦學性能，結果表明，加入少量納米氫氧化鎳既可以增強潤滑油的抗磨能力與極壓承載能力[7]。

1.5 無機納米硼酸鹽

此類添加劑主要有硼酸鈣、硼酸鎂、硼酸銅、硼酸鈦、硼酸鋅等，其作用機理主要是在摩擦過程中，摩擦副表面生成含硼的氧化物和含硼金屬鹽。胡澤善等研究了納米硼酸銅在500SN基礎油中的摩擦學性能，結果表明，含納米硼酸銅的基礎油在摩擦副表面發生化學反應，生成了含B2O3與FeB的保護膜，基礎油抗磨承載能力和摩擦系數均升高[8]。馮玉杰等將納米硼酸鑭與常用的極壓抗磨添加劑二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)做對比，實驗表明納米硼酸鑭顆粒比ZDDP有更好的極壓抗磨性能[9]。

1.6 納米稀土化合物

稀土元素由于其特殊的4f軌道和鑭系收縮等特性，表現出獨特的物理化學性質，研究表明，納米稀土化合物有良好的抗磨減摩效果。張澤撫等制備了粒徑10～30 nm的三氟化鑭顆粒，用含氮有機物修飾，并以液體石蠟為基礎油考察了其摩擦學性能，試驗表明，添加納米三氟化鑭顆粒的潤滑油在摩擦副金屬表面生成含四氧化三鐵、氧化鑭、氟化亞鐵等的化學反應膜，提高了油品的潤滑效果[10]。

2 新型納米材料作為潤滑油添加劑的研究

石墨烯是一種新型的碳質納米材料，由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀的晶體結構，理論厚度只有約0.34 nm，是目前已發現的最薄的材料，具有優異的電、光、力和熱學特性[11-12]。石墨烯是近些年的研究熱點，科研人員在眾多領域開展了石墨烯產品的開發，并且已取得良好的進展，華為技術有限公司最新研發的石墨烯電池，使用壽命比普通鋰電池增加一倍，同時充電速率卻提高40%[13]。石墨烯還具有高效的潤滑特性，作為潤滑油添加劑有良好的應用前景，大量研究表明，添加適量的石墨烯可以改善潤滑條件，降低摩擦系數，增強潤滑油極壓抗磨性能[14]，然而現在市場上石墨烯潤滑油卻很少，關于石墨烯的潤滑機理也沒有明確的定論。

張永康利用不同的方法制備了石墨烯，以殼牌潤滑油為基礎油，直接將不同質量分數的石墨烯粉末加入到基礎油中，超聲分散并在往復摩擦試驗機上考察其潤滑性能，試驗結果表明，添加0.3%質量分數石墨烯時摩擦系數最小，比基礎油相比降低了約35%[15]。

張偉等以油酸改性石墨烯，并用四球摩擦磨損試驗機對添加了改性石墨烯的潤滑油進行性能測試，發現添加0.06%質量分數石墨烯的潤滑油鋼珠表面磨斑相對基礎油較為平整，粗糙度降低，而添加5%質量分數石墨烯的潤滑油鋼珠表面起伏增加，粗糙度反而較基礎油大。分析石墨烯潤滑的作用機理，可能是由于石墨烯在沉積在摩擦副表面形成物理吸附膜，或者石墨烯與基礎油和金屬表面元素發生化學反應生成復雜的化學反應膜，阻斷了金屬間的直接接觸，降低了摩擦系數，隨著石墨烯含量的增加，摩擦系數呈現增大趨勢，這可能是由于石墨烯過多而在摩擦表面堆積，成為了研磨劑，干摩擦凸顯并逐漸取代薄膜潤滑，進而增大了摩擦系數[16]。

3 納米材料存在的問題

納米材料雖然摩擦性能優異，但也存在一些問題，如因為納米顆粒的高比表面能和較高的表面原子活性，使得納米顆粒在潤滑油中容易相互吸附而發生團聚[17-19]，生成沉淀而影響潤滑油品質，這極大的制約了納米添加劑的應用，通過對納米微粒進行表面處理，可以改變其物化性質，增強納米粒子與基體的結合能力，使納米粒子在基礎油中具有更好的分散穩定性，且不影響其自身原有的優異性能。

4 展望

納米材料尤其是石墨烯抗磨減摩效果出眾，將其應用于潤滑油可以減少硫磷型添加劑的使用，有利于減少機械部件腐蝕與環境保護，開發新型的納米材料并解決其在潤滑油中的分散穩定性問題將是今后研究的方向之一。

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(本文文獻格式：董 凱，郭軍武.納米材料在摩擦學中的應用[J].山東化工,2017,46(11):84-85.)

2017-03-16

上海海事大學研究生創新基金項目(2016ycx009)

董 凱(1988—)，男，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向現代輪機管理；通訊作者：郭軍武，男，副教授，碩士生導師。

TE624.8+2

A

1008-021X(2017)11-0084-02