結構對納米二硫化鎢抗磨減摩性能影響研究

毛紀昕，胡建強，楊士釗，徐新，郭力

(空軍勤務學院 航空軍需與燃料系，江蘇 徐州 221000)

近年來，有研究者將納米二硫化鎢添加進油品中，用來提升油品的潤滑性能[1-2]。納米二硫化鎢晶體通過較弱的范德華力結合[3]，容易發生滑移，具有優異的潤滑性能，并且獨特的結構還使其具有良好的化學穩定性、熱穩定性和抗氧化性能[4-7]。

有研究發現，納米顆粒在介質中的含量多少、尺寸大小和晶型結構等因素對其抗磨減摩性能都有不同程度的影響[8-10]。其中，納米顆粒的結構是影響納米粒子在潤滑油中發揮潤滑效果的一個重要因素[11]。

本文主要對不同結構的納米二硫化鎢進行了對比研究，探究結構對其潤滑性能的影響，以期對納米二硫化鎢添加劑的開發利用提供更多的理論支持。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

90 nm二硫化鎢(包括片狀90 nm二硫化鎢、層狀90 nm二硫化鎢)，由中科院成都有機化學研究所提供；100 nm二硫化鎢，由上海在邦化工有限公司提供；500 SN基礎油，由上海高橋煉油廠提供；甲基萘、石油醚(60～90 ℃)均為分析純；試驗鋼球(直徑為12.7 mm，材質為精密軸承鋼CCr15，硬度為64HRC)，由上海鋼球廠提供。

MQ-10P四球試驗機；CPA225D電子天平(0.1 mg)；BILON超聲波材料乳化分散器。

1.2 抗磨減摩性能測試

采用四球試驗機，根據 GB/T 12583—90 方法分別測試不同結構的納米二硫化鎢在500 SN基礎油中的抗磨減摩性能。實驗條件為：轉速 1 450 r/min，室溫，長磨時間30 min，分別載荷294，392，490 N。實驗前鋼球經過石油醚超聲波清洗，除去其表面上的防護油脂。

2 結果與討論

2.1 納米尺寸對二硫化鎢摩擦性能的影響

用電子天平分別準確稱量0.002 5，0.005，0.01，0.015，0.025 g 90 nm二硫化鎢和100 nm二硫化鎢加入48 g 500 SN基礎油中，為了更好地分散材料，再加入2 g甲基萘分別配成質量分數為0.005%，0.01%，0.02%，0.03%和0.05%的90 nm二硫化鎢和100 nm二硫化鎢油樣進行摩擦實驗，結果見圖1。

a.0.03%二硫化鎢油樣摩擦系數曲線圖(294 N)b.0.03%二硫化鎢油樣摩擦系數曲線圖(490 N)圖1 不同載荷下添加90 nm和100 nm二硫化鎢油樣摩擦系數曲線圖Fig.1 Friction coefficient curves of 90 nm and 100 nm tungsten disulfide under different loads

由圖1a可知，加入0.03%的90 nm二硫化鎢油樣與100 nm二硫化鎢油樣在294 N載荷下摩擦系數整體較低，基本低于0.10，最大值也沒有超過0.12，這說明90 nm和100 nm二硫化鎢在低載荷工作條件下抗磨性能優異，較基礎油有明顯提升，并且90 nm二硫化鎢油樣摩擦系數更低，保持在0.09左右。由圖1b可知，在起動的瞬間，100 nm二硫化鎢的摩擦系數瞬間達到最大值，高達0.3，可能是摩擦表面油膜破裂，出現嚴重磨損，經過短暫的磨合，摩擦系數又明顯降到0.1左右，90 nm二硫化鎢油樣在啟動后10 min也達到了峰值，約0.19。經過短時間磨合后油樣中的二硫化鎢會迅速修復摩擦表面不平整磨痕，使得摩擦系數迅速下降，基本穩定在0.07～0.08之間，展示出優異的減摩性能。

不同濃度的90 nm和100 nm二硫化鎢油樣抗磨實驗結果見表1、表2。

表1 90 nm二硫化鎢在基礎油中抗磨性能實驗結果Table 1 Experimental results of anti-wear properties of90 nm tungsten disulfide in base oil

表2 100 nm二硫化鎢在基礎油中抗磨性能實驗結果Table 2 Experimental results of anti-wear properties of100 nm tungsten disulfide in base oil

由表1、表2可知，甲基萘作為二硫化鎢的分散修飾劑不僅起到分散穩定的作用，而且對減摩效果有著一定的提升。就整個抗磨效果來看，添加90 nm二硫化鎢的油樣磨斑直徑在低濃度下略小于添加100 nm二硫化鎢的油樣磨斑直徑，而在0.03%和0.05%高濃度下表現不如100 nm二硫化鎢。整個實驗中，加入0.01%的實驗組整體減摩效果明顯，尤其是90 nm的二硫化鎢，在3個實驗載荷下的四球抗磨實驗時磨斑直徑比基礎油磨斑直徑分別縮小了21.9%，23.9%和35.7%，均達到實驗中相應載荷下的最小值，抗磨效果提升十分明顯。

2.2 空間結構對二硫化鎢摩擦性能的影響

用電子天平分別準確稱量 0.002 5，0.005，0.01，0.025 g 90 nm層狀二硫化鎢和片狀二硫化鎢加入48 g 500 SN基礎油中，為了更好地分散材料，再加入2 g甲基萘，分別配成質量分數為0.005%，0.01%，0.02%和0.05%的層狀和片狀二硫化鎢油樣進行摩擦實驗，結果見圖2。

a.加入0.05%二硫化鎢油樣在294 N載荷下的摩擦曲線圖b.加入0.05%二硫化鎢油樣在490 N載荷下的摩擦曲線圖圖2 不同載荷下添加層狀和片狀二硫化鎢油樣摩擦系數曲線圖Fig.2 Friction coefficient curves of layered and flake tungsten disulfide under different loads

由圖2a可知，加入0.05%片狀二硫化鎢和層狀二硫化鎢摩擦曲線整體表現平穩，即使摩擦過程中出現部分波動，二硫化鎢也能快速發揮減摩修復功能，使摩擦再次趨于平穩。由圖2b可知，片狀二硫化鎢與層狀二硫化鎢摩擦曲線差異明顯，片狀二硫化鎢油樣的潤滑油膜在起動瞬間就出現嚴重磨損，摩擦系數瞬間達到最高值0.4，磨損嚴重，但當運行平穩后，油樣中的二硫化鎢會迅速填充到摩擦副表面的破裂處，使得摩擦系數基本降至0.12左右，而層狀二硫化鎢從啟動開始就表現出良好的減摩性能，摩擦系數一直穩定在0.7的較低水平。綜上可見，片狀二硫化鎢油樣在啟動瞬間容易發生嚴重磨損，與基礎油相似，而層狀二硫化鎢可以很好解決這一問題，所以層狀二硫化鎢減摩性能整體優于片狀二硫化鎢。

表3 片狀二硫化鎢在基礎油中抗磨性能實驗結果Table 3 Experimental results of anti-wear properties offlake tungsten disulfide in base oil

表4 層狀二硫化鎢在基礎油中抗磨性能實驗結果Table 4 Experimental results of anti-wear properties oflayered tungsten disulfide in base oil

由表3、表4可知，在添加質量分數為0.005%的情況下，片狀二硫化鎢油樣在294 N載荷下的鋼球磨斑直徑為0.580 mm，較基礎油并無太大提升，而層狀二硫化鎢294 N載荷下的鋼球磨斑直徑(WSD)為0.543 mm，縮小了10.9%。在添加質量分數為0.01%的情況下，二硫化鎢都表現出優異的抗磨性能，尤其是層狀二硫化鎢，294，392，490 N的鋼球磨斑直徑分別為0.476，0.525，0.566 mm，在490 N高載荷下提升幅度>35%，抗磨效果提升十分明顯。而在加入0.05%二硫化鎢后，片狀二硫化鎢294 N載荷下鋼球磨斑直徑(WSD)和392 N載荷下鋼球磨斑直徑(WSD)較基礎油來講有所變大，潤滑效果變差，而層狀二硫化鎢鋼球磨斑直徑(WSD)分別為0.582，0.588，0.733 mm，減摩提升幅度僅為4.6%，14.8%和16.7%，說明在較高質量分數下二硫化鎢的潤滑效果不明顯，可能與其分散效果有關。

2.3 結構對納米二硫化鎢抗磨減摩性能影響機理

實驗結果證明，結構對納米二硫化鎢抗磨減摩性能有著顯著的影響。在納米尺寸上，90 nm的二硫化鎢整體潤滑效果優于100 nm的二硫化鎢，可能是在甲基萘的作用下，90 nm的二硫化鎢尺寸更小，在油中的分散度更好，從而更好地發揮抗磨減摩作用。但90 nm二硫化鎢由于其表面能更大，容易在高濃度條件下互相吸附團聚[12-14]，導致添加量較大時潤滑效果反而不如100 nm的二硫化鎢。而層狀納米二硫化鎢比片狀二硫化鎢在摩擦表面間更容易形成有序排列，并憑借其易滑動的少層結構來改善潤滑[15-16]，提高油品抗磨減摩性能。

3 結論

(1)甲基萘作為二硫化鎢的分散修飾劑不僅起到分散穩定的作用，而且還能一定程度上提升抗磨減摩性能。

(2)在探究結構對納米二硫化鎢抗磨減摩性能影響時發現，90 nm二硫化鎢在低濃度下潤滑效果優于100 nm二硫化鎢，而在高濃度下則100 nm二硫化鎢更優。層狀二硫化鎢抗磨減摩性能要優于片狀二硫化鎢。

(3)結構對納米二硫化鎢抗磨減摩性能的影響主要是通過影響納米二硫化鎢在油品中的分散度來實現的。解決好納米二硫化鎢在油品中的分散問題將是納米二硫化鎢發展的關鍵點。