纳米材料在摩擦学中的应用

董 凯，郭军武

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

纳米材料在摩擦学中的应用

董 凯，郭军武

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

纳米润滑油添加剂具有良好的抗磨减摩效果，综述了纳米添加剂的分类及其作用机理，并以纳米石墨烯为例，重点介绍了石墨烯作为润滑油添加剂的相关研究，并对今后纳米材料应用于润滑油领域的研究做了展望。

纳米；石墨烯；减摩

摩擦磨损消耗了世界上一半以上的能源，选择合适的润滑油能够明显提升摩擦副表面润滑效果，减少磨损带来的损失，润滑油已经成为机械行业不可缺少的重要物质之一。为提高润滑油的性能，常在润滑油中添加各类添加剂，目前常用的润滑油添加剂普遍含有S、P、Cl等元素，容易造成机械设备的腐蚀及环境污染，已越来越不能适应当前机械设备的发展需要及环保法规要求。纳米材料粒径小、表面能高，具有不同于其他材料的特殊性能，这些性能能使纳米材料在化工、生物工程、航天航空等行业应用广泛，研究表明，润滑油中添加适量的纳米颗粒，能够改善润滑条件，减少磨损，且有利于减少发动机尾气污染物排放。

纳米粒子有较高的表面活性和表面能，摩擦过程中，润滑油中的纳米粒子吸附在摩擦副表面，或者与摩擦表面金属发生化学反应，生成一层保护膜，起到隔离金属部件的作用。 纳米粒子尺寸较小，可以部分渗透到金属基体，还可以填补摩擦副表面凹坑，修补受损表面，同时，作用在摩擦副表面可以起到滚珠作用，还可以抛光金属接触面微小的突起，使摩擦表面更加光滑，降低摩擦副表面摩擦系数。

1 纳米润滑油添加剂的分类及其摩擦性能

1.1 纳米硫化物和纳米氮化物

WS2、MoS2、纳米氮化硼、纳米氮化硅等无机物添加到润滑油有良好的抗磨减摩效果，应用广泛，李长生等制备了粒径为50 nm的WS2颗粒，在N40基础油中研究了其摩擦学性能，发现在高载荷下，油样中添加10wt% WS2具有良好的润滑效果[1]，于旭光等用不同方法分别制备了纳米MoS2颗粒和纳米MoS2纤维，并分别研究了不同形态纳米MoS2的摩擦学特性，发现纳米MoS2颗粒减摩抗磨性能良好，其在摩擦副表面与金属生成含有氧化钼、氧化亚铁的化学反应膜，降低了摩擦系数，而纳米MoS2纤维虽然也有一定的减摩抗磨作用，但效果不如纳米MoS2颗粒，原因可能是其吸附能力差且不能在摩擦表面发挥滚轴承的作用[2]。

1.2 纳米无机单质

富勒烯、碳纳米管、纳米石墨、纳米金刚石等有良好的润滑效果，姚延立利用水下电弧放电法制备了纳米洋葱状富勒烯微粒，选用15W-40汽油机油为基础油，在四球验证机上考察了其摩擦学性能，研究表明，添加0.02%纳米洋葱状富勒烯可以使基础油极压值达到最大，此时磨斑直径亦最小，添加0.02%质量分数纳米洋葱状富勒烯颗粒可以有效改善基础油润滑性能[3]。程嘉兴等研究了不同粒径纳米石墨在锂基脂中的抗磨减摩性能，发现35 nm石墨对低负荷下锂基脂抗磨性能提升有限，但能显著提升高负荷下锂基脂的抗磨性能，35 nm石墨较100 nm石墨作用于锂基脂有更好的效果[4]。

1.3 纳米金属单质

主要包括纳米Cu、Ni、Al、Ag、Zn、Pb等[5]，纳米金属又分硬金属和软金属，不同种类金属作用机理不同，金属微粒在分散剂作用下稳定地悬浮于润滑油中，摩擦过程中部分吸附或渗入到摩擦表面，与其他元素发生物化反应，形成稳定的润滑油膜，同时填补磨损，增强表面金属抗氧化和抗腐蚀能力。伏喜胜等制备了粒径3～7 nm的的油溶性铜颗粒，选用SJ 15W/40汽油机油作为基础油在端面实验机上进行了纳米铜颗粒的摩擦性能试验，试验表明，油溶性纳米铜在摩擦面表面形成低剪切的吸附油膜，改善润滑表面的形貌[6]。

1.4 纳米氧化物和纳米氢氧化物

此类添加剂主要有AL2O3、SIO2、PbO2、Fe3O2、TiO2、Ni(OH)2、Mg(OH)2等纳米粒子，研究表明在最佳添加量下，Al2O3/SiO2复合纳米颗粒将在摩擦表面形成具有自修复功能的化学吸附膜、物理吸附膜及共晶自修复膜，从而保护摩擦表面，降低磨损。王立光等用乙醇超临界干燥技术制备了粒径为30～80 nm的晶状氢氧化镍，选用山梨醇单硬脂酸酯作为分散剂，研究了纳米氢氧化镍在500SN基础油中的摩擦学性能，结果表明，加入少量纳米氢氧化镍既可以增强润滑油的抗磨能力与极压承载能力[7]。

1.5 无机纳米硼酸盐

此类添加剂主要有硼酸钙、硼酸镁、硼酸铜、硼酸钛、硼酸锌等，其作用机理主要是在摩擦过程中，摩擦副表面生成含硼的氧化物和含硼金属盐。胡泽善等研究了纳米硼酸铜在500SN基础油中的摩擦学性能，结果表明，含纳米硼酸铜的基础油在摩擦副表面发生化学反应，生成了含B2O3与FeB的保护膜，基础油抗磨承载能力和摩擦系数均升高[8]。冯玉杰等将纳米硼酸镧与常用的极压抗磨添加剂二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)做对比，实验表明纳米硼酸镧颗粒比ZDDP有更好的极压抗磨性能[9]。

1.6 纳米稀土化合物

稀土元素由于其特殊的4f轨道和镧系收缩等特性，表现出独特的物理化学性质，研究表明，纳米稀土化合物有良好的抗磨减摩效果。张泽抚等制备了粒径10～30 nm的三氟化镧颗粒，用含氮有机物修饰，并以液体石蜡为基础油考察了其摩擦学性能，试验表明，添加纳米三氟化镧颗粒的润滑油在摩擦副金属表面生成含四氧化三铁、氧化镧、氟化亚铁等的化学反应膜，提高了油品的润滑效果[10]。

2 新型纳米材料作为润滑油添加剂的研究

石墨烯是一种新型的碳质纳米材料，由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状的晶体结构，理论厚度只有约0.34 nm，是目前已发现的最薄的材料，具有优异的电、光、力和热学特性[11-12]。石墨烯是近些年的研究热点，科研人员在众多领域开展了石墨烯产品的开发，并且已取得良好的进展，华为技术有限公司最新研发的石墨烯电池，使用寿命比普通锂电池增加一倍，同时充电速率却提高40%[13]。石墨烯还具有高效的润滑特性，作为润滑油添加剂有良好的应用前景，大量研究表明，添加适量的石墨烯可以改善润滑条件，降低摩擦系数，增强润滑油极压抗磨性能[14]，然而现在市场上石墨烯润滑油却很少，关于石墨烯的润滑机理也没有明确的定论。

张永康利用不同的方法制备了石墨烯，以壳牌润滑油为基础油，直接将不同质量分数的石墨烯粉末加入到基础油中，超声分散并在往复摩擦试验机上考察其润滑性能，试验结果表明，添加0.3%质量分数石墨烯时摩擦系数最小，比基础油相比降低了约35%[15]。

张伟等以油酸改性石墨烯，并用四球摩擦磨损试验机对添加了改性石墨烯的润滑油进行性能测试，发现添加0.06%质量分数石墨烯的润滑油钢珠表面磨斑相对基础油较为平整，粗糙度降低，而添加5%质量分数石墨烯的润滑油钢珠表面起伏增加，粗糙度反而较基础油大。分析石墨烯润滑的作用机理，可能是由于石墨烯在沉积在摩擦副表面形成物理吸附膜，或者石墨烯与基础油和金属表面元素发生化学反应生成复杂的化学反应膜，阻断了金属间的直接接触，降低了摩擦系数，随着石墨烯含量的增加，摩擦系数呈现增大趋势，这可能是由于石墨烯过多而在摩擦表面堆积，成为了研磨剂，干摩擦凸显并逐渐取代薄膜润滑，进而增大了摩擦系数[16]。

3 纳米材料存在的问题

纳米材料虽然摩擦性能优异，但也存在一些问题，如因为纳米颗粒的高比表面能和较高的表面原子活性，使得纳米颗粒在润滑油中容易相互吸附而发生团聚[17-19]，生成沉淀而影响润滑油品质，这极大的制约了纳米添加剂的应用，通过对纳米微粒进行表面处理，可以改变其物化性质，增强纳米粒子与基体的结合能力，使纳米粒子在基础油中具有更好的分散稳定性，且不影响其自身原有的优异性能。

4 展望

纳米材料尤其是石墨烯抗磨减摩效果出众，将其应用于润滑油可以减少硫磷型添加剂的使用，有利于减少机械部件腐蚀与环境保护，开发新型的纳米材料并解决其在润滑油中的分散稳定性问题将是今后研究的方向之一。

[1] 李长生,于 云,刘艳清,等.WS2纳米颗粒的合成及摩擦学性能研究[J]. 无机化学学报,2008,24(2):275-279.

[2] 于旭光. 纳米MoS2的摩擦学特性[J]. 有色金属,2006,58(4):5-8.

[3] 姚延立. 纳米洋葱状富勒烯的结构表征及其摩擦性能研究[D]. 太原:太原理工大学,2008.

[4] 程嘉兴,谢 凤,李 斌.不同粒径纳米石墨在锂基脂中的抗磨减摩性能研究[J]. 石油化工应用,2016,35(6):150-154.

[5] 徐 贞. 基于不同纳米润滑油添加剂的减磨机理研究[D]. 昆明:昆明理工大学,2010.

[6] 伏喜胜,张 明,王晓波,等. 油溶性纳米Cu作为润滑油添加剂在钢-铜摩擦体系中的摩擦学性能[J]. 石油学报(石油加工),2005,21(3):91-95.

[7] 王立光,胡泽善,赖 容,等. 纳米氢氧化镍的制备及摩擦学性能[J]. 石油学报(石油加工),2000,16(6):45-50.

[8] 胡泽善,王立光,黄 令,等. 纳米硼酸铜颗粒的制备及其用作润滑油添加剂的摩擦学性能[J]. 摩擦学学报,2000,20(4):292-295.

[9] 冯玉杰,孙晓君,李培志,等. 表面修饰纳米硼酸镧的制备及极压抗磨性能研究[J]. 材料科学与工艺,2002,10(2):203-206.

[10] 张泽抚,刘维民,薛群基. 含氮有机物修饰的纳米三氟化镧的摩擦学性能研究[J]. 摩擦学学报,2000,20(3):217-219.

[11] Zhang W，Zhou M，Zhu H W，et al． Tribological properties of oleic acid-modified graphene as lubricant oil additives[J].Journal of Physics D-Applied Physics，2011，44(20) : 235303．

[12] Lin J S，Wang L W，Chen G H.Modification of graphene plate-lets and their tribological properties as a lubricant additive[J].Tribol Lett，2011，4(1): 209-215．

[13] 刘央宗. 华为石墨烯电池研究获突破[N]. 中国能源报,2016-12-05(005).

[14] 乔玉林,赵海朝,臧 艳,等. 石墨烯的功能化修饰及作为润滑添加剂的应用研究进展[J]. 化工进展,2014,33(S1):216-223.

[15] 张永康. 石墨烯的制备及其摩擦学性能研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[16] 张 伟,朱宏伟. 石墨烯改性润滑油[J]. 自然杂志,2016,38(2):94-96.

[17] 乔玉林,崔庆生,臧 艳,等. 石墨烯油润滑添加剂的减摩抗磨性能[J]. 装甲兵工程学院学报,2014,28(6):97-100.

[18] 张伟,朱宏伟,狄泽超,等. 液相法制备石墨烯及其摩擦学性能研究[J]. 纳米科技,2011, 8(1):5-9.

[19] 陈莲英,章文贡. 纳米润滑材料及表面改性研究进展[J]. 润滑与密封,2004(1):107-110.

(本文文献格式：董 凯，郭军武.纳米材料在摩擦学中的应用[J].山东化工,2017,46(11):84-85.)

2017-03-16

上海海事大学研究生创新基金项目(2016ycx009)

董 凯(1988—)，男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向现代轮机管理；通讯作者：郭军武，男，副教授，硕士生导师。

TE624.8+2

A

1008-021X(2017)11-0084-02