新型润滑技术研究进展

盛丽萍　李芬芳　范成凯

摘要：随着能源、环境问题的突出，为了生态环境的可持续发展，近年摩擦学领域紧跟时代需要以绿色、高效、多功能作为润滑技术的发展新方向，并发展了多种新兴润滑技术。文章主要介绍了纳米润滑技术、化学热处理改性表面、液晶、气相润滑等，并综述了上述新兴技术在摩擦学领域的新成果、新发现，总结机理为下一步研究奠定基础。这些润滑技术不但可以满足现代机械工业需求，同时兼顾环境友好，为现代工业发展提供了无限可能。

关键词：纳米；富勒烯；化学热处理；液晶；气相润滑

中图分类号：TE626.3 文献标识码：A

Research Progress of New Lubricating Technology

SHENG Li-ping, LI Fen-fang, FAN Cheng-kai

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract:With the graveness of energy and environment issues, the new development direction of green, efficient and multipurpose was put forward for the field of tribology in order to realize the sustainable development of ecological environment. And under this background, a variety of new lubricant technologies were developed. In this paper, the nano-lubrication technology, chemical heat treatment modified surface, liquid crystal and gas lubrication are mainly introduced. And the new results, new discoveries and mechanisms of the above new emerging technologies are reviewed. These lubrication technologies not only meet the needs of modern machinery industry, but also satisfy the demands of environment-friendly, providing endless possibilities for modern industrial development.

Key words:nanometer; fullerene; chemical heat treatment; liquid crystal; gas lubrication

0 前言

摩擦消耗了世界上一次性能源的1/3以上，磨损是材料与机械设备失效的3种主要形式之一。润滑则是减少摩擦、降低或避免磨损的最有效手段。仅在我国，每年因摩擦导致的机械磨损所损耗的材料高达几百亿元［1］，并且由于我国石油资源的短缺，造成了经济快速发展与石油需求之间的矛盾，解决这一矛盾的有效途径之一为“减少摩擦、降低磨损、提高油品的燃油经济性、节约能源”。因此“减少摩擦、降低磨损、改善润滑条件、节约能源”已成为我国各行业科技攻关的重大课题之一。随着现代工业的发展，预计今后国内润滑油需求总量年均增长2.25%。目前，中国润滑油的消费量仅次于美国，居世界第二位，至2010年预计消费总量达到470~480万t，中国润滑油的消费量将超过美国成为世界第一［2］。

在市场迫切需求之下，新型润滑技术开发成为科学家们的研究热点。摩擦学者们已经将其与交叉学科相结合，提出了很多创新性、高效性的润滑减摩技术。本文总结了近年来迅速发展起来的纳米润滑、化学热处理改性表面、液晶、气相润滑等技术，这些技术的出现，使摩擦学呈现出一个多角度、多层面的研究空间，也展示了一个全新的摩擦学发展方向。

1 纳米润滑技术

纳米科学技术是20世纪90年代兴起的高新技术，在全世界极受重视并得到了飞速发展。随着纳米摩擦学的深入研究，表明纳米粒子在润滑与摩擦学方面具有特殊的抗磨减摩和高载荷能力等摩擦学性质，可以用作润滑油新型抗磨剂［3-4］。由于它们具有量子力学上的强关联性而表现出完全不同于宏观和微观世界的介观性质，能够在摩擦表面以纳米颗粒或纳米膜的形式存在，具有良好的润滑性能和减摩性能。因此在润滑油中添加纳米润滑材料，可

显著地提高润滑性能和承载能力，减少添加剂用量，特别适用于条件苛刻的润滑场合，这为润滑油的发展注入了新的活力。国内外对纳米润滑材料的研究十分活跃，目前用作润滑添加剂研究的纳米材料归纳起来如表1［5-6］。

同时许多学者也研究了纳米氢氧化物［7］和纳米硼酸盐［8-10］的摩擦学性能，如氢氧化镍、氢氧化锰、氢氧化钴、氢氧化镧、硼酸锌、硼酸钛、硼酸镁、硼酸钙等，发现纳米硼酸盐优于纳米氢氧化物及纳米氧化物，具有极好的摩擦学性能。其抗磨减摩机理是：硼酸盐在摩擦副上发生摩擦化学反应，生成如B₂O₃、FeB及Fe₂B等具有抗磨减摩性能的物质。

富勒烯，即C₆₀，以其独特的分子结构、强的抗压能力(耐压能力高于钻石，显微硬度高达18 GPa)、强的分子内作用力以及弱的分子间作用力、低的表面能［11-13］等等，得到了研究者的青睐。阎逢元等［14］试验发现1.0%的C₆₀/C70分散到石蜡油中，可使石蜡油极压负荷提高3倍，摩擦系数降低1/3，明显降低了摩擦副的磨损。经过水溶改性后的富勒烯，能在水中稳定存在，并显示了优良的摩擦性能。江贵长［15］等合成出一种葫芦型水溶石墨，透射电镜观察到该微粒直径为15~20 nm，将其添加到三乙醇胺的水溶液中，该添加剂能显著提高基础液极压值，降低磨斑直径，并使摩擦系数从0.232降低到0.059。

纳米粒子的抗磨减摩性能，实际是与纳米粒子种类、结构、大小以及表面修饰剂的种类等密切相关。而对其抗磨机制，目前尚没有统一解释，比较一致的观点有［16-19］:① 通过类似“微轴”作用，减少摩擦阻力，降低摩擦系数；② 在摩擦条件下, 纳米微粒在摩擦副表面形成光滑保护层；③ 填充摩擦副表面的微坑和损伤部位，起修复作用。 有些研究者认为，纳米微粒添加剂的作用机理不同于传统添加剂，与其本身所具有的纳米效应有关。在摩擦过程中，因摩擦表面局部温度高，纳米微粒尤其像n-TiO₂这类微粒极有可能处于熔化、半熔化或烧结状态，从而形成一层纳米膜，该薄膜的韧性、抗弯强度均大大优于一般薄膜。纳米添加剂的这一性能，可望解决在抗磨和极压添加剂分子设计上长期依赖S、P、Cl等活性元素的状况，为解决S、P、Cl对基体金属造成的腐蚀和带来的环境问题展示了美好的应用前景。另外，纳米材料粉末通过摩擦过程中的摩擦化学作用在磨斑表面形成沉积膜，或者通过元素扩散作用渗透入表面层形成强化层提高了表面的耐磨性。像纳米硼酸盐粒子由于带电荷而向表面移动并沉积于摩擦表面成膜，这些膜是非晶体或无定型的膜，在空气中40 ℃仍能保持稳定。利用纳米材料粉末作为润滑油添加剂的抗磨减摩机理可能是以上几种机理的联合作用，确切的机理以及相关影响因素还有待于进一步深入研究。

2 化学热处理改性表面

表面化学热处理属于改变化学成分的固态相变合金化，是利用固态扩散使其他元素渗入金属表面的一种热处理工艺。渗入的元素被吸附并扩散进入表面层，从而改变金属材料表面化学成分和组织结构，提高材料的机械及力学等性能。研究表明，适宜的化学热处理可以改善材料表面的综合性能，比如材料硬度、耐腐蚀性能、耐热性能及耐磨性能等，同时也可延长使用寿命，节约原材料，降低成本［20］。表面处理技术已取得了很高的经济效益和社会效益。正因如此，化学热处理中的渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗、渗硫、硫氮共渗、硫氮碳共渗、渗硼和渗硅，以及渗金属如渗铬、渗铝、渗锌、渗钛和碳化物覆层等在摩擦学表面改性领域得到了广泛关注［21］。按照目前流行的表面化学热处理工艺总结出表2［22-23］。

以化学热处理渗硫为例，通过电解渗硫和低温离子渗硫均可获得FeS表面改性层，而FeS改性层作为一种高熔点、易剪切的无机保护层具有良好的固体润滑作用，可显著减轻摩擦磨损［24］。渗硼可以提高金属材料的硬度、耐磨性能、抗擦伤性能及耐腐蚀性。其改性层一般由FeB和Fe₂B两相组成，在渗硼时加入稀土元素可以提高渗硼速度，并改善渗硼层的组织结构，使组织致密、均匀，提高表层韧性和塑性、耐腐蚀性、耐磨性和抗疲劳性能［25］。与之相似，渗锌、渗硅可以提高金属材料的耐蚀性。现在人们常将多种元素共渗，以获得摩擦学性能和力学性能均较理想的新型改性表面，比如碳氮共渗、氮碳共渗、硫氮共渗、硼硅共渗、硼铬共渗等。硫氮共渗的外层为很软的FeS，其作用是改善润滑条件，保证在磨合时防止粘着，在FeS层下面是软氮化渗层，它具有很高的耐磨性。硫氮共渗可用于处理碳钢、合金钢和铸铁等。

表面改性技术和分析手段的发展对摩擦学理论研究和实际应用起到了促进作用，一方面,随着多层复合膜、亚稳态膜和纳米结构膜摩擦学研究的深入，人们对摩擦副材料及润滑剂在摩擦过程中的性能变化及其相互作用的认识不断深入。另一方面,随着工业高新技术的不断发展，对高强度、高耐磨性和高抗腐蚀性的摩擦学材料的需求日益增加，对传统摩擦学研究及润滑技术提出了严峻的挑战，促使人们进一步关注摩擦学表面工程研究以及添加剂同表面改性技术的相关性。

3 液晶润滑

液晶是介于固态和液态之间的一类化合物，是除固、液、气态之外的第四态。液晶可分为两类: 溶致液晶(Lyotropic LiquidCrystal, LLC)和热致液晶(Thermotropic LiquidCrystal, TLC)［26］。热致液晶又可分为近晶型(smectic)、向列型(nematic)和胆甾型(cholesteric)。向列相和胆甾相特别适用于润滑，而近晶相有很好的耐压性［27］。液晶在物理性质上表现为液体，但它却具有有序介质的性质，使之呈现固体的抗压性能，阻止摩擦表面间的直接接触；在滑动剪切方向，液晶在高载荷下又呈现出低粘度的液体流动性，从而获得极低的剪切阻力。因此，将液晶作为润滑添加剂和新型润滑材料均有不同程度的减摩抗磨效果，其优良的摩擦性能在金属、陶瓷、玻璃、关节和聚合物等各种材质摩擦副的减摩抗磨性能中得到了广泛应用［28-29］。

液晶有着优良的摩擦学特性。如卢颂峰等［30］将1%正辛基苯甲酸液晶加入汽轮机油中，结果表明其与不加添加剂时相比较，磨损量降低44%，摩擦因数降低31%～47%，同时缩短一半的磨合时间，降低磨损量；四球机试验表明最大无卡咬负荷F_B增加21%。溶致液晶进行化学修饰后可使液晶在边界润滑条件下具有更低的摩擦系数和较高的承裁能力。如在三乙醇胺烷基苯磺酸酯液晶体系中，引入苯乙烯聚合物和十六碳烯聚合物，可使其球盘摩擦试验的摩擦系数由0.06～0.08降至0.03～0.04，承裁能力提高5倍［31］。Bermddez M. D.等曾对一系列的4,4′-二烷基偶氮苯、4,4′-二烷氧基偶氮苯、4,4′-二烷基氧化偶氮苯、氰基化合物进行了摩擦性能研究。研究表明1.0%的液晶添加剂就能显著降低基础油（西班牙产）的摩擦系数，其数据列于表3［32］。

液晶润滑是机械、化学、物理甚至包括生物(仿生学) 等多学科的交叉领域, 它的发展依赖各学科的合作和相互渗透。液晶化合物的特殊结构使得其在摩擦学领域已经占有一席之地。但目前国内在液晶润滑的理论研究还十分薄弱，因此加强这方面的理论和应用研究势必对开发新型润滑剂具有很大的推动作用。其中，胆甾型液晶合成简单、成本较低，且不含硫、磷、氯等腐蚀性元素，是一类环境友好的化合物，将具有更好的发展前景。见图1。

4 气相润滑技术

随着科学技术的发展，高转速高功耗的工业机器层出不穷，传统的油脂润滑剂在转速、精度、功耗等要求不高的情况下能基本适用生产和生活的需要。但对于轴承转速在50×104 r/min以上基本上就无能为力了。传统油润滑仅减小了接触摩擦副间的摩擦，但其功耗相对还是较大且随着时间的推移越来越大，这样无疑降低机器传动效率，增加了运行成本。另外由于油脂本身的特性决定了一些润滑区域是其禁区，如高温情况下，油脂容易挥发；低温情况下，油脂容易凝固；有辐射的环境中油脂容易变质等等。而气相润滑可以克服这些缺点，打破了传统润滑剂的禁区［33］。气体润滑是通过动压或静压方式由具有足够压力的气膜将运动副摩擦表面隔开，承受外力作用，从而降低运动时的摩擦阻力与表面磨损。气体润滑技术的出现打破了液体润滑的一统天下，使润滑技术产生了质的飞跃。气体作为润滑剂的支承元件具有以下几方面长处［34］：

(1)摩擦磨损低，在高速下发热小，温升低；

(2)由于温度而引起的气体粘度变化小，工作温度范围广；

(3)气体润滑膜比液体润滑膜要薄得多，在高速支承中容易获得较高的回转精度；

(4)气体润滑剂取用方便，不会变质，不引起支承元件及周围环境的污染；

(5)在放射性环境或其他特殊环境下能正常工作，不受放射能等的影响。

用作润滑剂的气体有空气、氮、氦、一氧化碳、硫化氢、水蒸气等。Irwin L. Singer等将H₂S气体在1.3 Pa的压力下吹入高真空的SiC滑针与钼金属之间，使其摩擦系数从0.7降至0.01，当滑行速度降至0.2 mm/s时，摩擦系数竟突然降至了0.001的一个极低值。这预示着气体润滑与润滑材料相结合基本可以实现“超润滑”［35］。

人们现已将气相润滑技术应用到了机床、气动牙钻、测量仪、陀螺仪、透平氦膨胀机、纺织机械类设备仪器上。气体轴承就是气体润滑技术开发出的核心产品［33］。它是利用气膜支承负荷减少摩擦的机械构件，可使轴承速度提高5~10倍，支承精度提高2个数量级，功耗降低3个数量级，工作寿命则增长了数10倍。同时还打开了常规支承所长期回避的一些润滑禁区，如高速支承、低摩擦低功耗支承、高精密支承以及超高温、低温、有辐射等特殊工况下的支承，这无疑是支承形式与润滑技术上的一次革命。

新兴的气态切削剂由于具有良好的冷却和润滑作用，在金属加工液中得到了迅速发展。某些气体还可以氧化切削中的新鲜表面,防止刀具熔融金属, 减少摩擦，从而获得迅速的推广应用。另外,气体的对流和液体汽化都有良好的冷却能力。空气是最常见的气态切削剂,也是干切削时唯一的切削剂。将压缩空气直接吹到切削区域，强迫对流以减少切削热, 同时吹走切屑。氩、氦和氮等堕性气体还可用来防止工件和切屑的氧化。也可用沸点低于室温的气体作切削剂, 如向切削点吹入压缩的氟里昂(氟氯烷烃)或二氧化碳气体,由于蒸发,加工温度可达零下几十度,可大大提高刀具寿命,且透明不会污染工件及设备。但成本高,特殊情况才使用。气相润滑技术可解决金属材料的高温润滑问题。

我国在气体润滑理论与应用方面同国外相比起步较晚，特别是在应用方面和试验技术方面与发达国家还有一定差距。因此，在进行理论研究的同时，应大力推广和应用这种先进的润滑技术，推动我国机械工业装备技术的发展。

5 润滑技术展望

随着科技的发展、社会的进步和生存价值观念的转变，人们对自身的安全、健康和全球环保意识的不断增强，对使用和研制安全、健康和环境友好的生态化润滑剂的呼声越来越高，为了生态环境的可持续发展，安全、高效和环保问题必将成为选用和发展润滑剂的重点考虑因素之一，研制安全、高效和对环境无害的生态润滑剂在21世纪必将得到迅速发展。

目前纳米技术、化学热处理改性表面、液晶、气相润滑等技术正是在这种呼声下新兴发展起来的。虽然它们还不十分成熟，但是其优良润滑性质，展示了美好的润滑前景。随着对纳米材料研究的不断深入，纳米材料将起到不可估量的作用。未来的新兴润滑油抗磨剂，无论是纳米粒子、液晶或者富勒烯类还是其他类化合物，应不仅仅只具有优异的抗磨减摩性能，而应像ZnDDP那样，还具有如抗氧化、抗腐蚀、催化减活等其他性能。经过特殊化学热处理的改性表面将在一些特殊而苛刻的工况下发挥其独特作用。气相润滑使润滑技术产生了质的飞跃。它将绿色、高效、多功能、长寿命等优点集于一身。其核心产品气体轴承具有滚动轴承和滑动轴承无法比拟的速度高、精度高、功耗低等优点，当然也尚存在刚度低、可靠性尚不令人满意等亟需改善的缺点。

综上，为了满足现代工业发展和环境保护的需要，未来新兴润滑剂和润滑技术必须立足高速发展的现代工业，同时兼顾环境友好，即满足绿色、高效、多功能(或多效化)的多重要求。新兴的润滑技术已为现代工业、国防等领域的发展提供了无限可能，相信通过我们的努力届时必将会有很多奇特的润滑材料出现，“超润滑”、“零摩擦”的新型润滑材料的出现完全有可能，让我们共同期待一个崭新润滑时代的到来。

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收稿日期:2008-04-16。

基金项目：总后勤部军需物资油料部资助项目（需物油科［2006］357号）；湖南省科技计划项目（06FJ4112）

作者简介：盛丽萍（1982－），女，中南大学化学化工学院在读研究生，研究方向为环境友好型润滑材料，已公开发表文章2篇。