納米潤滑脂添加劑的現狀及發展

王川 蔣明俊

摘 ?????要： 潤滑脂在潤滑產品中所占比例不大，其優異的性能使其在潤滑領域占有重要地位，將納米科學技術應用于潤滑脂領域，將更有利于其性能的發揮。綜述了納米潤滑脂添加劑的種類及摩擦學特性，分析了納米潤滑脂添加劑主要的三種減摩抗磨作用機制，并對其未來的研究方向和重點進行了展望。

關 ?鍵 ?詞：潤滑脂;納米添加劑;減摩抗磨

中圖分類號：TE624.8+3 ?????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）03-0634-05

Abstract： The proportion of grease in the lubrication product is small， but the excellent performance makes it occupy an important position in the field of lubrication. The application of nano science and technology in the field of grease will be more conducive to the exertion of its performance. In this paper， the types and tribological properties of nanometer grease additives were reviewed. Three main friction-reducing and anti-wear mechanisms of the additives were analyzed， and the future research directions and priorities were prospected.

Key words： Grease; Nano-additives; Anti-friction and anti-wear

潤滑脂的產量在整個石油產品領域所占比例很小，據粗略估計，全世界潤滑脂的年產量僅為116萬t左右，但其在國民經濟中占有重要的地位，對維護各種機械設備的正常運轉、減少運轉過程中的摩擦磨損和延長機械設備使用壽命等都具有重要作用[1]。在潤滑工程領域，潤滑脂的摩擦學行為在很大程度上取決于添加劑的性能，潤滑脂中添加劑的主要作用是改進和增強使用性能[2]，往往不同添加劑的加入會導致同一潤滑脂的性能有所差異。

納米科學技術被認為是面向21世紀的新科技，其優良特性引起了科研工作者的廣泛注意。近年來，納米材料在光、電、磁等領域顯示出了重要的應用價值和廣闊的應用前景[3]，同時由于納米粒子具有許多傳統常規材料不具備的優良特性，從而表現出特殊的、優異的物理化學性質[4-6]，進入了大家的視野。納米材料應用于潤滑脂方面的研究起步較潤滑油要晚，此前有學者將納米材料作為添加劑應用于潤滑油中，發現納米材料對潤滑油的減摩抗磨和承載能力的提高具有很大促進作用，且目前在用的傳統油脂添加劑在很多方面存在著局限性，因此納米材料添加劑被摩擦學研究者“盯上”而作為潤滑脂的一種新型添加劑[7]。納米粒子可以做為良好的潤滑脂添加劑的優勢主要在于三點，一是納米微粒的擴散能力和自擴散能力較強，在金屬表面上易形成抗磨性能好的滲透層或擴散層，達到減摩抗磨效應[5，8，9];二是納米粒子具有粒徑小的特點，外形上近似為球形，可在摩擦副之間發生滾動，起到類似于“滾珠軸承”的作用，摩擦形式由滑動摩擦變為滾動摩擦，使摩擦系數降低[10];三是納米粒子可對摩擦表面進行拋光和強化，并支撐外界負荷，使承載能力提高[11]。

1 ?納米潤滑脂添加劑的分類及摩擦學性能

目前，納米材料用作潤滑脂添加劑主要有以下幾種：（1）單質類納米粒子做添加劑;（2）氧化物類納米粒子做添加劑;（3）硫化物類納米粒子做添加劑;（4）納米無機鹽粉體做添加劑。

1.1 ?單質類納米粒子做潤滑脂添加劑

王鵬等[12]對納米鉍粉的摩擦學性能進行了探究，發現在固定粉體總添加質量分數為3%的條件下，采用四球摩擦磨損試驗機研究了納米鉍粉與蛇紋石粉的質量比對鋰基脂摩擦學性能的影響，結果表明將納米鉍粉與蛇紋石粉按比例混合后作為添加劑有利于提高鋰基脂的綜合摩擦學性能，并且當兩種粉體的質量比為3∶1時，復合鋰基脂摩擦學性能最優，減摩抗磨效果最佳。

銅作為一種過渡元素，理化性質方面有很多突出的特性，比如良好的抗腐蝕性和機械性能使其可以很好地適應潤滑脂的使用環境。研究人員發現，將適量微納米銅粒子單質加入到潤滑脂中，并將該脂加入到摩擦部件中，減摩抗磨性能優異。經過觀察，發現在摩擦副表面形成了一層具有減摩潤滑效果的薄膜，同時加入的納米銅粒子會發生沉積以達到修復摩擦副表面微劃痕的目的，能夠顯著降低摩擦副的摩擦磨損[13]。Choi等[14]將納米銅粒子加入到鋰基潤滑脂中，試驗結果表明，納米銅粒子能夠降低摩擦系數，減少對摩擦表面的磨損。何強等[15]在試驗后發現將銅納米粒子作為添加劑，摩擦系數會大幅度降低，減摩抗磨效果非常明顯。

石墨烯被稱為“神奇材料”，在很多領域都具有奇特而優異的性能。從摩擦學角度出發，石墨烯是一種很好的潤滑材料，可以大幅度降低摩擦副的摩擦系數和磨損率。SINGH等[16]將石墨烯作為添加劑加入到鋰基潤滑脂中，檢測其摩擦學性能，發現當其質量分數為0.4%時，摩擦副的摩擦系數、噪聲和振動都較小，與未加添加劑的純潤滑脂相比，摩擦副發生純滾動摩擦時的摩擦系數可以減小30%，發生滾動滑動混合摩擦時的摩擦系數可減小20%。

1.2 ?氧化物類納米粒子做潤滑脂添加劑

國外科學家通過大量的實驗發現，在潤滑脂中添加納米氧化物對潤滑脂的減摩抗磨性能具有很大的促進作用[17]。目前，國內關于納米氧化物在潤滑脂中的研究也慢慢得到重視，主要集中于減摩、修復、抗極壓等方面的應用。

張曉凱等[18]將納米ZrO2加入到鋰鈣基潤滑脂中，發現加入的納米ZrO2能夠明顯提高潤滑脂的承載和抗磨性能，也可以有效改善樣品的氧化安定性，軸承的使用壽命也有很大的提升。經過進一步深入的研究，他們認為減摩抗磨的原因在于，向潤滑脂中加入的納米ZrO2粒子能夠較均勻地分散在基礎脂中，會在摩擦表面形成一層邊界潤滑膜，這種物理吸附膜可以起到抗磨減壓的作用;同時部分沉積在摩擦面間的納米ZrO2粒子可以對摩擦磨損產生的微坑進行填充，起到一種自修復作用[19]。

有人對納米Al2O3填充環氧樹脂復合材料的摩擦學性能進行了研究，發現少量的納米Al2O3即可大幅度提高摩擦學性能，對摩擦副起到了顯著的減摩抗磨作用[20]。李寶良等[21]在納米Al2O3、Al、MgO粒子可作為潤滑脂添加劑的基礎上，將這三種納米粒子按一定的比例混合后加入到通用鋰基脂中進行摩擦學性能試驗，發現含有Al2O3-Al-MgO混合納米粒子能大大提高脂的減摩抗磨性能，抗極壓方面也有明顯提高，且發現Al2O3-Al-MgO的最佳配比為1.20%～0.20%～0.10%，此種情況下減摩抗磨性能最佳。他們認為是由于硬度大的Al2O3納米粒子在摩擦副中發揮支撐負荷的“滾珠軸承”作用，Al在摩擦表面形成了均勻“剪切膜”以及硬度適中的MgO粒子所具有的介于軟硬金屬粒子之間的特殊效應，他們三者之間的協同作用使得脂的減摩抗磨能力得到大大提高。

曹智等[22]以硅酸鈉為前驅體，親油性烷氧基硅烷為修飾劑，在水-乙醇的混合溶劑中采用原位表面修飾法合成出SiO2納米微粒，將其加入到鋰基潤滑脂中，分析納米二氧化硅添加劑對鋰基潤滑脂抗磨性能的影響。發現純鋰基脂的PB值為431 N，而添加0.25%SiO2納米微粒使得鋰基脂的PB值提高了約55%，添加了0.5%SiO2納米微粒使得鋰基脂的PB值提高了約75%，同時還發現，當添加量為0.5%時，與基礎脂潤滑下比較，鋼球的WSD值降低了31%。對于以上結果，他們分析認為經過表面修飾的SiO2納米微粒作為鋰基潤滑脂添加劑時，在摩擦過程中會發生沉積并富集在邊界潤滑膜內，能夠對摩擦磨損表面起到修復作用，從而表現出優良的抗磨損性能，對鋰基脂的承載能力和抗磨損能力有很大的促進作用。

1.3 ?硫化物類納米粒子做潤滑脂添加劑

二硫化鎢因其特殊的層狀六方晶系結構，層與層之間容易發生滑移，使其具有優良的潤滑性能和較低的摩擦系數，而被作為一種新型固體潤滑材料來使用[23]。陳漢林等[24]將制備的二硫化鎢納米粉體加入到鋰基潤滑脂中，并對該鋰基潤滑脂的摩擦學性能進行了考察。結果表明，加入的二硫化鎢納米粉體能夠顯著提高鋰基潤滑脂的摩擦學性能。摩擦過程中，二硫化鎢納米粉體在摩擦副表面產生吸附沉積，并在高溫高負荷條件下生成含有Fe2O3、FeSO4、WO3和Fe3O4的化學反應膜，從而共同產生潤滑作用。

MoS2具有優良的潤滑性能，在高真空、強輻射和高低溫等惡劣環境下，具有優良的摩擦學性能，可以作為航空航天潤滑脂的添加劑使用。程亞洲[25]等制備了納米二硫化鉬添加劑并加入到潤滑脂中對其進行摩擦學性能試驗，試驗結果表明添加微量的納米二硫化鉬微粒即對潤滑脂的極壓性能和減摩抗磨性能產生了很好的促進作用，效果非常明顯[26]。

1.4 ?納米無機鹽粉體做潤滑脂添加劑

杜鵬飛等[27]將球磨改性后的白云母微粉（一種層狀硅酸鹽粉體）作為添加劑加入到鋰基潤滑脂中，考察該納米微粒對鋰基潤滑脂摩擦學性能的影響大小。結果表明：白云母微粉能夠有效提高鋰基潤滑脂的摩擦學性能，當添加量為0.5%和1.0%時，分別表現出最好的減摩性能和抗磨性能。他們認為，白云母層狀結構可能是其優良減摩抗磨性能的主要原因，在外加載荷作用下層與層之間容易發生滑移，在摩擦學方面即表現出良好的減摩抗磨性能。

坡縷石（一種富鎂鋁羥基硅酸鹽納米礦）可以改善潤滑脂的摩擦學性能，侯迪等[28]采用超聲波的分散方法將坡縷石添加到潤滑脂中。實驗發現，加入2.0%的坡縷石即可很大程度提高潤滑脂的PB值，潤滑脂的抗極壓性能和抗磨性能也得到有效的提高，利于潤滑脂在摩擦副中的使用。

徐楠等[29]使用碳化法制備納米碳酸鈣顆粒，將納米碳酸鈣顆粒加入到潤滑脂中，通過UMT-2摩擦學試驗機測試了其減摩抗磨性能的好壞，結果表明：所制備的納米碳酸鈣顆粒能夠顯著提高基礎脂的減摩抗磨性能。他們認為，納米碳酸鈣在摩擦過程中受到來自摩擦副之間的擠壓作用，會發生變形并在接觸區形成一層潤滑膜以實現減磨抗摩效果。

2 ?納米潤滑脂添加劑的作用機制

對于納米潤滑劑的減摩抗磨作用機制，主要傾向于以下三種情況：（1）納米添加劑的修復作用;（2）納米添加劑在摩擦副表面生成膜;（3）納米添加劑起到滾珠軸承作用。

2.1 ?修復作用

納米微粒具有粒徑小的特點，加入到潤滑脂中的納米微粒可在摩擦副表面發生沉積，填充機件運轉過程中產生的凹坑，可以在一定程度上“修復”摩擦副，減緩摩擦副的磨損速度，延長使用壽命[30]。郭志光等[31]在鋼/鋼摩擦副之間加入納米銅添加劑工作一段時間后，在基體表面上發現納米銅顆粒發生了沉積，填補磨損過程產生的凹坑，對摩擦副表面進行修復，防止其進一步的磨損。張鋒等[32]認為納米SbS4微粒通過吸附作用和滲入作用，既能對摩擦磨損表面進行修復，又能提高潤滑脂的摩擦學性能，同時對之前產生的裂紋進行了“修復”，減緩裂紋擴展速度，延長機件使用壽命。何強等[15]發現尺寸很小的納米顆粒在外加載荷作用下將優先沉積于產生微觀缺陷的磨損表面上，“修復”受損表面，進而起到良好的減摩抗磨作用。李寶良等[33]發現在混合納米粒子的協同作用下，各種粒子均能發揮出他們各自的優良特性，從而使基礎脂在減摩抗磨中的表面修復方面顯示出其特殊的、優異的性能，而且將混合納米粒子作為添加劑的潤滑脂工作后的摩擦磨損表面更加平整，減摩抗磨效果最好。王鵬等[12]通過掃描電子顯微鏡和能譜分析探討了復合納米鉍粉與蛇紋石粉在脂中的減摩抗磨機理，發現摩擦副摩擦時，由于納米鉍粉所需要的自修復能量較低，鉍粉優先沉積于摩擦副的表面，而粒徑較大含量較少的蛇紋石粉體則位于鉍粉體之上，兩者都起到了自修復的作用，但以鉍粉的自修復效果為主，實現該復合粉體的減磨抗磨效能。

2.2 ?摩擦副表面生成膜

納米顆粒具有熔點低和化學活性高的特點，摩擦副在工作過程中產生的局部高溫高壓可使納米顆粒受熱熔融鋪展形成表面膜[30]，表面膜包括化學反應膜、轉移膜、沉積膜。有人在實驗中發現，納米硼酸銅顆粒在摩擦副工作過程中會生成一層表面保護膜，其主要成分是B2O3和FeB，起到減摩抗磨的作用[5，34，35]。劉維民等[36]利用經DDP修飾的Cu納米微粒在不同載荷下進行摩擦學試驗，發現在不同大小負荷下均呈現一定的減摩抗磨能力[30]。他們推測其原因均與膜的形成有關，在低負荷下，由于摩擦副間隙較大，Cu納米微粒沉積的量較少，此時起支承載荷作用的主要是修飾層形成的吸附或反應表面膜;在高負荷下，Cu納米顆粒在摩擦表面沉積量較多易形成致密的沉積表面膜，降低摩擦副的摩擦磨損程度。陳漢林等[24]對二硫化鎢納米粉體加入到鋰基潤滑脂中作為添加劑的摩擦學性能進行了探究，也發現在摩擦過程中，二硫化鎢納米粉體會在摩擦副表面產生吸附沉積，并在高溫高負荷條件下生成含有Fe2O3、FeSO4、WO3和Fe3O4的化學反應膜，從而共同減少摩擦、降低磨損。張哲等[37]在研究石墨和層狀二硅酸鈉的復配體系作為潤滑脂添加劑的摩擦學性能時，發現該復配體系在一定程度上對基礎脂的減摩抗磨性能有較大提高，在高負荷下的效果更為顯著，他們分析認為在摩擦力作用下，復配體系和鋼球表面作用會形成減摩抗磨性能良好的膜層，達到減磨抗磨的效果。

2.3 ?滾珠軸承作用

對于一些硬度較大的納米微粒，不易在高溫高壓的工作條件下被壓縮成膜，則會在摩擦副之間摩擦形成“鵝卵石”，起“滾珠軸承”的作用以支撐摩擦副之間負荷從而提高潤滑脂的抗磨抗極壓性[30]。李寶良等[7]發現Al2O3粒子因高硬度和高熔點的特點，在進入摩擦副表面時納米Al2O3微粒在摩擦表面起到支撐載荷的“微軸承和支撐墊”作用，變滑動摩擦為滾動摩擦，起到類似“滾珠軸承”的作用，提高了承載能力和減摩抗磨性能。王仁兵等[38]探討了納米碳酸鈣粒子的減摩抗磨機理，認為外形上近似為球形的納米碳酸鈣粒子在摩擦副中可以起到類似“滾珠軸承”的作用以促進潤滑性能，從而提高摩擦副表面的減摩抗磨性能。陳志剛等[39]探究了納米碳酸鈣與稀土粒子在合適配比情況下的減摩抗磨性，發現當納米碳酸鈣與稀土粒子配比為1：1時，納米碳酸鈣粒子會被納米稀土粒子填平修復，形成“滾珠軸承”的外形尺寸和作用，充分發揮了兩者減摩抗磨的協同效應，共同提高摩擦副表面的減摩抗磨性能。范少卿等[40]發現將納米碳酸鈣粒子與納米銅粒子混合，當納米碳酸鈣粒子多而銅粒子少時，主要以“滾珠軸承”的承載作用為主，兩者發揮協同作用實現摩擦副之間的減摩抗磨。

3 ?研究發展重點和趨勢

潤滑脂中納米添加劑的研究在摩擦學上的應用，已經取得了一定的成果，但在今后的研究過程中，以下幾個方面的問題值得我們加以考慮：

（1）納米粒子極細的晶粒導致其帶有巨大的表面能，加之顆粒間的吸引力，顆粒間很容易發生自動聚集而形成較大的塊狀聚集體，發生團聚而沉淀，失去超細晶粒所具有的功能特性。因此納米添加劑在潤滑油脂中的分散穩定性將成為今后研究的重點之一。

（2）納米單質顆粒、氧化物納米顆粒、硫化物納米顆粒和無機鹽納米顆粒等作為潤滑脂添加劑都極具發展潛力，對潤滑脂的摩擦學性能具有很好的促進作用，要實現其大規模工業應用，應朝著低成本、規模化制備的方向進行發展。

（3）隨著近年來“綠色化學”理念的提出，納米添加劑的下一步研究應該朝著“可生物降解性、無毒化”的方向發展，研制出環境友好型添加劑[30]，減少對環境的破壞。

（4）納米添加劑與普通油品添加劑具有協同作用，將普通油品添加劑和納米粒子添加劑同時加到潤滑脂中，探究兩者的最佳配合比例，使潤滑脂的摩擦學性能達到最佳。

4 ?結束語

介紹了納米潤滑脂添加劑的部分種類和納米潤滑脂添加劑的作用機制，在潤滑脂中具有很大的應用前景。今后的納米潤滑脂添加劑需要解決的是微粒分散穩定性的問題，并朝著“綠色化學”的方向發展，為納米潤滑脂添加劑的大規模實際應用打下堅實的基礎。

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