碳黑對MoS2納米潤滑油的摩擦磨損性能影響

侯獻軍，熊納，王友恒

碳黑對MoS2納米潤滑油的摩擦磨損性能影響

侯獻軍1,2,3，熊納1,2,3，王友恒1,2,3

（1.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點試驗室，湖北 武漢 430070； 2.武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070； 3.武漢理工大學 湖北省新能源與智能網聯車工程技術中心，湖北 武漢 430070）

以PAO6潤滑油為基礎油，MoS2為納米添加劑，制備質量分數為0.02%的納米潤滑油。通過自主研制的缸套-活塞環摩擦實驗臺，對添加不同濃度碳黑顆粒的MoS2納米添納米潤滑油的摩擦學性能進行研究；通過電子掃描顯微鏡（SEM）對缸套表面磨痕進行觀察。結果表明，低濃度的碳黑（0.01wt%和0.1wt%）可以進一步改善納米潤滑油的摩擦系數（降低7.7%和1.5%）；任何濃度的碳黑都會導致納米潤滑油的抗磨性能惡化，甚至比未添加任何納米顆粒的基礎油的磨損量高約5～7倍；缸套的磨痕分析表明，碳黑通過破壞MoS2納米潤滑油在摩擦副表面形成抗磨損膜的穩定性，加劇零件磨損。

納米潤滑油；碳黑；摩擦；磨損

隨著汽車保有量的日益增加，其能源消耗量及廢氣排放量也會激增，這對我國節能與環保戰略提出了重大挑戰，如何提高汽車發動機的燃油經濟性、能源利用率、減少廢氣排放已經成為我國汽車技術研究的重要方向。

納米潤滑油由于其具有更好的物理特性、化學特性和減摩抗磨特性已經引起國內外學者的重視。Ali等[1]使用Al2O3/TiO2納米添加劑的潤滑油的摩擦副摩擦功率損失研究中發現，與常規潤滑相比，模擬發動機活塞環運動組件的摩擦損失降低了40%～51%。文獻[2]中，在潤滑油中添加濃度為0.25%的Al2O3/TiO2復合粉體時，抗磨減摩效果最佳，在載荷500 N、轉速1100 r/min時，摩擦系數和磨損量相比基礎油時分別降低25.4%和43.8%。Pisal等[3]研究發現，濃度為0.5wt%的CuO納米潤滑油可分別降低24%的摩擦和53%的磨損。王學軍等[4]研究了納米潤滑油中的納米添加劑含量對冷擠壓過程中潤滑特性的影響規律，發現當潤滑油中Fe3O4納米粒子質量分數為8%時，納米改性潤滑油的潤滑效果最佳，納米粒子的填充與滾動作用及其對52#汽缸油膜的支承作用是改善潤滑油潤滑性能的主要原因。Chou[5]對比了三種濃度（0.5wt%、1wt%和2wt%）下Ni納米顆粒在PAO6基礎潤滑油中的摩擦學性能。發現0.5wt%的Ni納米潤滑油的減摩性能最好，摩擦系數降低了30%。

由于目前各國對實現環境清潔提出了更高的要求，在發動機中普遍采用延遲噴射技術和廢氣再循環技術，這降低了發動機尾氣中顆粒物的排放，但會導致潤滑油中的碳煙濃度升高。Oungpakornkaew等[6]使用碳黑顆粒模擬了機油中的碳煙進行摩擦實驗，發現被污染的機油可能導致磨損量增加83%，并且磨痕直徑增大約1.1%。蘇鵬等[7]通過摩擦磨損機研究了碳煙對潤滑油摩擦性能的影響，發現當碳煙的質量濃度超過3%后，潤滑油的摩擦性能會受損，摩擦副間的磨損加劇。Vyavhare等[8]提取了柴油發動機油底殼中的碳煙顆粒并進行摩擦學實驗，發現碳煙與保護性抗磨添加劑形成的摩擦膜發生的拮抗作用加劇了發動機部件的磨損。早期國外的研究的其他機理包括：通過碳煙加速潤滑油的降解[9]；通過碳煙促進金屬從抗磨損的Fe3O4還原為促進型FeO[10]；由于碳煙的存在增大了潤滑油的粘度加而引起的潤滑油供應不足[11]。

在實際發動機摩擦過程中，由于油環的泵油作用，會在潤滑油中引入碳煙顆粒，這種還未繼續氧化生成呈大尺寸的顆粒物分散在原潤滑油，會影響潤滑油的性質。本研究以碳黑（Carbon Black，CB）顆粒模擬實際潤滑過程中會混入潤滑油的碳煙，研究當MoS2納米潤滑油中存在碳黑時，其減摩抗磨性能的變化情況。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

納米MoS2作為一種典型的二維層狀結構材料，已經成為納米潤滑油領域研究的重點。二硫化鉬是由S-Mo-S原子共價鍵形成的層狀結構，各層之間由弱范德華力連接，因此容易滑動并減少摩擦。同時，該層的外層晶體S原子可與摩擦金屬表面反應形成保護膜，減少磨損。實驗選用的MoS2納米材料其物理參數如表1所示。

從發動機的潤滑油中提取碳煙的過程是非常耗時的，因為碳煙顆粒與潤滑油之間的相互作用以及摩擦副間的摩擦行為會導致碳煙顆粒被污染，碳煙的石墨化程度和粒徑也會根據發動機狀況而變化。事實上，某些碳黑的成分、大小和形態與發動機內提取的碳煙非常相似。因此，通常以碳黑替代碳煙用于磨損研究，本次研究采用卡博特碳黑VXC-72R，它在一次粒徑、結構、孔隙率和碳含量方面與發動機碳煙非常相似，其參數如表2所示。

表1 納米MoS2物理參數

表2 碳黑VXC-72R參數

1.2 納米潤滑油的制備

采用兩步法制配質量分數為0.02%的MoS2納米潤滑油。首先，精確稱取MoS2納米顆粒，將MoS2納米顆粒倒入裝有相應比例分散劑油酸的燒杯中，在溫度為70℃下使用磁力攪拌器混合10 min；再將得到的混合物按配制濃度加入基礎油PAO6中，并分別進行30 min磁力攪拌和30分鐘超聲分散得到MoS2納米潤滑油。

1.3 缸套-活塞環摩擦實驗

缸套-活塞環摩擦的性能實驗在自主研發的摩擦磨損實驗臺上進行，如圖1所示。圖2為摩擦臺的示意圖。實驗過程中，使用1.5 kW變速AC電動機驅動曲軸，其速度可由轉速表（HT-4200）測得。在摩擦測試過程中，使用DEWESoft 6.6.7程序接收并處理生成的信號，該程序用于將數據采集并連接到PC。摩擦臺安裝在具有減震效果的工作臺上，從而確保在運行期間保持穩定。

圖1 缸套-活塞環摩擦實驗臺

1.速度控制；2.鏈條；3.軸承速度控制；4.曲柄機構鏈條；5.滑塊；6/13.導軌；7.活塞環樣品；8.活塞環支架；9.2-D力傳感器；10/11.杠桿系統；12.缸套樣品；14.鋼珠球；15.試驗臺基座；16.軸承座；17.電動機；18.電動機座。

缸套和活塞環的測試樣品為實際發動機中的部件。摩擦臺可加載的載荷從30～250 N不等，分別對應0.65～5.43 MPa的接觸壓力。電機轉速從50～800 r/min不等，分別對應活塞平均速度從0.212～3.48 m/s的變化區間。在進行磨損測試之前，將缸套-活塞環樣品在丙酮中超聲清洗15 min，去除表面上雜質污染物并進行干燥處理。為了保證實驗結果的重復性，在相同條件下進行了至少三次摩擦和磨損測試，然后取平均值以降低測量誤差。

2 結果與討論

2.1 碳黑對納米潤滑油減摩抗磨性能影響

為了充分發揮納米潤滑油的潤滑特性，在研究碳黑對MoS2納米潤滑油的減摩性能影響時，使滑塊保持在較高的速度1.75 m/s下運行1 h。圖3為使用不同樣品潤滑油在120 N的接觸負載工況下，缸套-活塞環摩擦副摩擦表面摩擦因數的變化。

圖3 120 N載荷下各油樣的平均摩擦系數

實驗數據表明，制備的MoS2納米潤滑油相比基礎油的摩擦系數降低了4.4%，因此添加MoS2納米顆粒確實能起到降低摩擦的效果。少量的碳黑顆粒能繼續提高納米潤滑油的減摩性能，當碳黑濃度為0.01wt%和0.1wt%時，摩擦系數相比原納米潤滑油分別下降了7.7%和1.5%。當碳黑濃度增大到1%后，摩擦系數上升了9.2%，甚至超過了基礎油的摩擦系數。

圖4是滑塊速度為1.75 m/s時，不同載荷下缸套-活塞環摩擦副摩擦表面摩擦因數的變化規律。可以看到，在載荷較低時，摩擦副間的摩擦系數較高。隨著載荷的增大，摩擦系數降低，這是因為除了納米顆粒的“滾動效應”降低摩擦，在高接觸應力條件下，納米顆粒由于相較于零件的硬度值更低，摩擦副在滑動一定距離后，納米顆粒被填補進入凹坑，使接觸面變得更加光滑，摩擦副粗糙峰之間的接觸摩擦阻力減小，摩擦系數降低。

對比三種油樣的摩擦系數隨載荷的變化規律可以看到，在MoS2納米潤滑油中加入濃度為0.01wt%的碳黑后，在各個載荷下的摩擦系數都有降低，特別是在60 N和120 N的載荷下，相比原納米潤滑油的摩擦系數分別下降了12.5%和7.7%。當加入的碳黑濃度提高到0.1wt%后，30 N和60 N等低載荷工況下，缸套-活塞環間的摩擦系數也有明顯降低，分別下降了8.7%和10%，但當載荷上升到200 N或更高時，摩擦系數反而比原納米潤滑油還高。初步分析出現上述現象的原因是碳黑和MoS2同為納米級別的粒子，可能都起到了將滑動摩擦轉變為滾動摩擦從而降低摩擦系數的作用。但是隨著載荷的增大，當納米潤滑油中的碳黑顆粒的數目占主導地位后，由于碳黑顆粒本身的硬度不及納米MoS2顆粒，因此難以形成“滾珠效應”，同時數量更多的碳黑顆粒可能與MoS2納米在修復摩擦副間的凹坑上存在競爭關系，而碳黑顆粒無法或難以穩定修復摩擦副間的凹坑，從而導致高載荷下高濃度的碳黑增大MoS2納米潤滑油的摩擦系數。

圖4 不同載荷下納米潤滑油平均摩擦系數

當缸套-活塞環之間的相對滑動速度低時，潤滑狀態為邊界潤滑，摩擦副間的摩擦系數相對較高，因此會導致零件表面磨損嚴重。因此，為探究碳黑對MoS2納米潤滑油抗磨性能影響，第二組實驗研究了活塞環在較低滑動速度下的磨損情況，控制滑塊保持在較低的速度0.65 m/s下運行2 h，對比分析在納米潤滑油中加入碳黑后，活塞環的磨損量變化。

圖5給出了使用不同樣品納米潤滑油在120 N的接觸負載工況下，活塞環的磨損量變化情況。可以看到，制備的MoS2納米潤滑油能有效降低零件間的摩擦損耗，相比基礎油，磨損量降低了24.7%。但是當在納米潤滑油中添加碳黑后，油樣的抗磨損性能急劇惡化，甚至比未添加任何納米顆粒的基礎油的磨損量大約5～7倍。

圖6顯示了不同載荷下活塞環的磨損情況。當使用不含碳黑的MoS2納米潤滑油時，摩擦副的磨損量隨載荷的提高而呈下降趨勢，對比分析在高速實驗時摩擦系數與載荷的關系可以看到，低載荷時的摩擦系數高，造成摩擦副間的相應磨損量也較大。

圖5 120 N載荷下各油樣的平均磨損量

圖6 不同載荷下碳黑對MoS2納米潤滑油磨損量的影響

當在MoS2納米潤滑油中加入碳黑后，活塞環的磨損量遠大于僅添加納米潤滑油的摩擦副磨損量。當載荷為30 N和60 N時，0.01%的碳黑添加都會導致磨損量增大約13倍，當載荷增大到120 N和200 N時，磨損量也分別提高了約5倍和3倍，當載荷繼續為250 N時，摩擦副間的潤滑效果再次極度惡化，磨損量增大了約15倍。同時，相比未添加碳黑的納米潤滑油的磨損量變化可以看到，隨著載荷的增大，零件的磨損量并不是持續降低的。當載荷達到某一閾值后，磨損量反而會急劇增大。

2.2 碳黑影響納米潤滑油摩擦性能機理分析

使用HITACHI S-3400N SEM（掃描電子顯微鏡）觀察缸套-活塞環摩擦實驗后各油樣下的缸套磨損表面的形貌，如圖7所示。圖7（a）、（b）分別為基礎油和質量濃度為0.02%的MoS2納米潤滑油在氣缸套表面形成的電鏡磨痕圖。可以看到，含納米顆粒的潤滑油在摩擦表面上形成了摩擦膜，在沿摩擦方向上幾乎看不到明顯磨痕，而含基礎油的摩擦副表面的可以明顯看到因潤滑不足而產生的犁溝。

圖7 缸套磨痕表面SEM圖

由于基礎油在摩擦表面生成的摩擦膜不如MoS2納米潤滑油致密，因此在摩擦過程中零件本身直接參與摩擦，因而導致磨痕較大。MoS2納米潤滑油有助于在摩擦副表面形成摩擦膜，這是由于在摩擦力的作用下，MoS2納米潤滑油在摩擦副表面產生了摩擦膜。在載荷不高的情況下，MoS2納米顆粒可以“隔開”摩擦副，但是隨著載荷增大，MoS2納米顆粒本身的硬度低于兩摩擦副的硬度，且納米顆粒本身尺寸又足夠小，在摩擦前已填充了由于零部件本身制造工藝產生的凹面，當摩擦表面產生磨痕后，MoS2納米顆粒作為一種金屬粒子直接填充到磨損表面，從而同時達到了減摩和抗磨的作用。

圖7（c）、（d）和（e）分別為在MoS2納米潤滑油中加入質量濃度為0.01%、0.1%和1%的碳黑顆粒后，氣缸套表面的電鏡磨痕圖。可以明顯看到，在加入碳黑后，摩擦副表面的抗磨損膜似乎消失了，沿摩擦方向的磨痕再次出現，且隨著碳黑濃度的增大，磨損磨痕越明顯。結合此前測得加入碳黑后的零件磨損量變化趨勢，推測當MoS2納米潤滑油中存在碳黑顆粒時，納米潤滑油在摩擦副表面與金屬經化學形成穩定的抗磨損膜無法穩定存在，摩擦副表面在不斷進行摩擦膜的生成和被破壞，從而導致金屬不斷被消耗，因而加入碳黑后，含納米潤滑油的磨痕表面重新出現磨痕，并且摩擦副的磨損增大。

在研究MoS2納米潤滑油的磨損量隨載荷變化時，發現當納米潤滑油中不含碳黑時，摩擦副的磨損量是隨著載荷的增大而呈降低趨勢的，這表明在高載荷下納米潤滑油對降低摩擦副的磨損效果更好。實驗結果還發現，隨著載荷的增大，摩擦副的磨損量呈先降低后又增大的趨勢。這是可能是在高載荷下，摩擦副間產生的高接觸應力導致很高的局部壓力，摩擦副間的剪切應力增大，從而促進MoS2納米潤滑油在摩擦副表面成膜的反應速率，從而加速了磨損過程。因此可以推測，由于碳黑顆粒在摩擦副表面之間的作用而導致較高的局部應力，納米顆粒在兩個表面上都非常迅速地形成了抗磨損膜，然后該膜立即被碳黑顆粒磨損，從而導致較高的磨損率。

3 結論

（1）MoS2納米潤滑油相比基礎油可以有效改善摩擦副表面的摩擦行為，在120 N的接觸負載工況下分別使摩擦系數和磨損量降低4.4%和24.7%。

（2）在MoS2納米潤滑油加入低濃度的碳黑有助于進一步改善油樣的減摩性能，隨著碳黑濃度的升高，MoS2納米潤滑油的摩擦系數增大；在MoS2納米潤滑油中加入任何濃度的碳黑都會導致油樣的抗磨性能急劇惡化。

（3）隨著負載的增大，碳黑對MoS2納米潤滑油的減摩性能改善效果逐漸降低；在中等負載時，含碳黑MoS2納米潤滑油的磨損量最低。

（4）MoS2納米潤滑油降低摩擦系數的原因之一是MoS2納米在摩擦副表面通過化學反應形成抗磨損膜，從而起到降低摩擦系數的作用。碳黑顆粒通過破壞抗磨損膜在摩擦副表面的穩定性，導致抗磨損膜的不斷形成和失去及金屬的不斷消耗，加劇了摩擦副的磨損。

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Effect of Carbon Black on Friction and Wear Performances of MoS2Nano-Lubricating Oil

HOU Xianjun1,2,3，XIONG Na1,2,3，WANG Youheng1,2,z3

( 1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 3.Hubei Research Center for New Energy & Intelligent Connected Vehicle, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Taking PAO6 lubricating oil as the base oil and MoS2as the nano additive, nano lubricating oil with a mass fraction of 0.02% was prepared. Through the independently developed test bench for friction between cylinder liner and piston ring, the tribological performance of the MoS2nano-lubricating oil was studied by adding different concentrations of carbon black particles to it. The wear marks on the cylinder liner surface were observed through the scanning electron microscope (SEM). The results show that low concentrations of carbon black (0.01wt% and 0.1wt%) can further improve the friction coefficient of nano-lubricating oil (decreased by 7.7% and 1.5%). Any concentration of carbon black will cause the deterioration of the anti-wear performance of nano-lubricating oil, and the wear amount is even about five to seven times higher than that of the base oil without adding any nano particles. The analysis of the wear scar of the cylinder liner shows that the carbon black can aggravate the wear of the parts by destroying the stability of the MoS2nano-lubricant forming an anti-wear film on the surface of the friction pair.

nano-lubricating oil；carbon black；friction；wear

TG115.5+8

A

10.3969/j.issn. 1006-0316.2021.06.001

1006-0316 (2021) 06-0001-07

2021-03-15

國家自然科學基金（51875423）

侯獻軍（1973－），男，河南新鄉人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為節能與新能源汽車、汽車及其動力系統CAD/CAE/NVH 和汽車納米材料技術，E-mail：houxj@whut.edu.cn。