超細蛇紋石粉的制備及其對水-乙二醇液壓液摩擦學性能的影響

孫魯濱，張振忠，趙芳霞，武黎明

(南京工業大學材料科學與工程學院，南京 211800)

隨著對納米材料研究的深入，納米潤滑添加劑的開發和應用技術亦在日益擴大，并已開發出納米金屬粉體[1-2]、礦石粉體[3-4]、氧化物[5]、無機納米微粒[6]等多種潤滑添加劑，可以起到抗磨減摩和抗極壓作用。天然蛇紋石礦物(晶體結構化學式為Mg6[Si4O10](OH)8)是具有納米層狀結構的含水鎂硅酸鹽，相對硬度為2.5～4，熱穩定性好[7]，且具有極低的干摩擦因數[8]，將該材料加至潤滑油中，在摩擦能作用下形成的修復膜不易脫落，有利于油潤滑介質抗磨、減摩性能的提高[9]。但目前納米自修復潤滑油、脂中采用的蛇紋石均是采用天然蛇紋石機械球磨法進行制備，制備出的粉體形貌復雜、伴生礦物多，在油潤滑介質中的分散穩定性差，限制了其大規模推廣應用和摩擦學性能的進一步提高。Falin等[10]用水熱法合成了具有管狀結構的纖蛇紋石，并簡要探討了反應時間和pH對水熱體系的影響。張宇等[11]對天然和水熱合成蛇紋石作為潤滑油添加劑添加到PAO基礎油的摩擦學性能進行了比較，結果表明人工蛇紋石對摩擦狀況的改善效果要優于天然蛇紋石。超細蛇紋石粉潤滑添加劑的研究成果主要集中在潤滑油中，但是在水-乙二醇液壓液中的研究尚未見資料報道。本研究采用水熱法制備超細蛇紋石粉，考察反應溫度對所制備粉體微觀結構及組成的影響，并考察不同溫度所制備粉體和添加量對68#水-乙二醇液壓液摩擦學性能的影響，初步探討其抗磨減摩機理，為其進一步研究和實際推廣應用提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料

氫氧化鈉(分析純，西隴化工公司制造)，氯化鎂(分析純，阿拉丁公司制造)，氣相二氧化硅(純度大于99.5%，平均顆粒直徑為15 nm，阿拉丁公司生產)，去離子水(南京工業大學自制)，68#水-乙二醇液壓液(自制)，石油醚。GCr15軸承鋼球的直徑為12.7 mm，硬度(HRC)為61～64；化學組成為：w(Si)為0.55%，w(Mn)為 0.51%，w(Cr)為1.74%，w(Fe)為 97.20%。

1.2 試驗儀器和設備

100 mL PPL內襯不銹鋼水熱反應釜；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱；KH-700DE型數控超聲波清洗器；BS224S型電子天平；WMM-1立式萬能摩擦磨損試驗機及配套磨斑測量顯微鏡；日本理學Rigaku DMAX-RB型X射線衍射儀(XRD)；JEOL-2100F磁性場發射透射電鏡(TEM)；帶能譜分析(EDS)的JSM-7600F熱場發射掃描電子顯微鏡(SEM)。

1.3 試驗過程

2 結果與討論

2.1 反應溫度對超細蛇紋石制備的影響

圖1和圖2分別為不同反應溫度下制備的超細蛇紋石粉的TEM照片和XRD圖譜。由圖1(a)可見，120 ℃下的產物呈現疊堆的片層狀與梭狀兩種形態。結合XRD結果分析梭狀物應該是小部分未反應完的氫氧化鎂，而片層狀顆粒應該是水鎂石產物。此時二氧化硅已反應生成了硅酸鈉(Na2SiO3)，與氫氧化鎂和水鎂石團聚在一起。由圖1(b)可見，隨溫度升高，140 ℃下的反應產物中出現了纖維狀的利蛇紋石晶體，同時還有部分水鎂石存在，與XRD結果相吻合。由圖1(c)可見，160 ℃下產物主要是纖維狀的利蛇紋石，僅少量的片層狀水鎂石未完全轉化。由圖1(d)可見，當溫度升高到180 ℃時，存在纖維狀的利蛇紋石以及完全轉化為堆疊在一起的微細的片層狀顆粒，根據XRD結果對照該溫度下的產物是羥基硅酸鎂[Mg6Si4O10(OH)8]。由圖1(e)結合XRD結果分析可知，隨著溫度的升高，片層狀的羥基硅酸鎂卷曲成為中空的纖蛇紋石納米管，根據Simple PCI軟件和文獻[12]計算得，納米管平均長度為97 nm，平均外壁直徑為20 nm，平均內壁直徑為7 nm。由圖1(f)可見，220 ℃和200 ℃的產物纖蛇紋石在形貌上無太大變化，而其平均長度為139 nm，平均外壁直徑為21 nm，平均內壁直徑為7 nm。結合XRD譜圖可以看出，200 ℃以上時，隨反應溫度升高產物種類及形貌基本上沒有變化，管徑也基本不變，只是蛇紋石納米管長度增加。

圖1 不同反應溫度下產物的TEM照片

圖2 不同反應溫度下產物的XRD圖譜●—Mg6Si4O10(OH)8； ■—Mg(OH)2

2.2 超細蛇紋石粉對水-乙二醇液壓液摩擦學性能的影響

圖3為不同反應溫度下水熱法合成的超細粉按添加量(w)0.04%加入到68#水-乙二醇液壓液中得到的摩擦學性能。摩擦因數和磨斑直徑均測量3次，取平均值。綜合指標=磨損體積×摩擦因數。由圖3可知：隨反應溫度升高，摩擦試驗的摩擦因數和鋼球磨斑直徑先增大后減小；反應溫度為200 ℃時所制備的蛇紋石添加到水-乙二醇液壓液中的綜合摩擦學性能最優，摩擦因數、磨斑直徑分別為0.062 4和0.46 mm，與未加粉體的68#水-乙二醇基礎液壓液(摩擦因數為0.068 6，磨斑直徑為0.59 mm)相比，分別減小了9.04%和22.03%。結合TEM和XRD分析可知，納米管狀纖蛇石的摩擦學性能優于利蛇紋石，這與文獻[11]的結果一致，且納米纖蛇紋石的管長越小，其摩擦學性能越好。

圖3 不同反應溫度所制備超細粉體對68#水-乙二醇液壓液摩擦學性能的影響■—磨斑直徑； ●—摩擦因數； ▲—綜合指標。下同

圖4 超細蛇紋石粉添加量對68#水-乙二醇液壓液摩擦學性能的影響

圖4為200 ℃制備的納米中空管纖蛇石粉添加量對68#水-乙二醇液壓液摩擦學性能的影響。由圖4可見：隨粉體加入量的增加，試驗得到的摩擦因數先減小后增大，當蛇紋石粉加入量(w)為0.06%時，摩擦因數最小，其值為0.056 2，磨斑直徑為0.39 mm，相比于基礎液壓液，摩擦因數降低了18.07%，磨斑直徑降低了33.90%；隨粉體加入量增加，磨斑直徑也是先減小后增大，在加入量(w)為0.04%時，磨斑直徑降低最多，降低了35.59%。從綜合指標看，當加入量(w)為0.06%時，68#水-乙二醇液壓液的摩擦學性能最好。

2.3 含超細蛇紋石粉的水-乙二醇液壓液抗磨減摩機理探討

圖5為在294 N的載荷下，基礎液壓液與含0.06%(w)纖蛇紋石粉的水-乙二醇液壓液作用下試樣磨斑的SEM照片對比。由圖5可以看出，鋼球表面的磨痕很淺。添加蛇紋石粉后，鋼球的摩擦面上產生較多沉積物，且磨痕表面空洞減少，這可能是由于蛇紋石粉體在摩擦過程中，不斷運動到摩擦副表面產生沉積，在表面形成了一次薄膜，從而減小了表面磨損現象。

圖6為圖5(b)中凹槽(A)、凸起(B)兩處的元素掃描及能譜分析結果。由圖6可見：在含0.06%(w)蛇紋石粉體的水-乙二醇液壓液作用下試樣磨損處存在蛇紋石粉體的Mg,Si,O元素；在A處，其表面Mg，Si，O含量(w)分別為0.08%，0.35%，1.55%；在B處，其表面Mg，Si，O含量(w)分別為0.14%，0.41%，1.80%。而GCr15軸承鋼球的成分主要有Fe，Mn，Cr等，這說明水-乙二醇液壓液中添加的蛇紋石粉體顆粒會在摩擦過程中向摩擦表面上發生轉移，在磨斑表面起到填補溝壑的作用，產生更多新生表面，表面活性較高的超細顆粒在外加壓力下迅速沉積、焊合到摩擦副表面，填充磨痕表面，在摩擦副表面形成薄膜，減小摩擦，提高設備的使用壽命。

圖5 液壓液作用下試樣磨斑的SEM照片

圖6 SEM照片中凹槽和凸起處的元素掃描及能譜分析結果

3 結 論

(1)不同溫度下水熱合成的蛇紋石粉的微觀結構、化學組成及晶型各不相同。200 ℃以下水熱合成的產物是利蛇紋石、水鎂石等的混合物，200 ℃以上水熱法合成的蛇紋石粉為納米中空管狀的纖蛇紋石。

(2)不同溫度下水熱合成的蛇紋石粉對68#水-乙二醇液壓液的摩擦學性能影響不同。纖蛇紋石的摩擦學性能要優于利蛇紋石。200 ℃時所制備的納米管狀纖蛇紋石粉添加到水-乙二醇液壓液中的摩擦學性能最優，當其加入量(w)為0.06%時，摩擦因數、磨斑直徑分別為0.056 2和0.39 mm，與未加粉體的基礎液壓液相比分別減小了18.07%和33.90%。

(4)鋼球磨斑形貌及能譜分析結果表明，納米纖蛇紋石粉體加入到液壓液中能起到填平犁溝、修復磨痕表面的作用，從而實現抗磨和減摩。