纳米过渡金属硫化物微粒在摩擦学中的应用

郝梦洋+朱欣

摘要：纳米金属硫化物由于其特殊的结构及性质，在摩擦学中的应用越来越广泛，成为摩擦学中热门研究方向。本文介绍了纳米微粒在摩擦领域的应用，进一步举例说明了纳米过渡金属硫化物的主要性能特点，并根据现存的问题，指出其未来的发展前景。

关键词：过渡金属硫化物 纳米摩擦 纳米微粒

摩擦学是研究相互运动物体表面的摩擦、磨损和润滑的一门学科，近年来，纳米材料广泛应用于摩擦领域，人们开始在原子、分子微觀角度研究运动界面之间的摩擦磨损行为，随着纳米尺度的技术研究手段不断涌现，人们对纳米材料的研究更加深入，同时高新技术的发展对摩擦提出了更高的要求，推动了摩擦学的进展，纳米摩擦学成为顺应时代发展的前沿学科。纳米硫化物由于其良好的摩擦性能成为一项重要分支。

一、纳米微粒在摩擦领域的应用

纳米微粒指尺寸在1-100nm的特殊材料，强度大、硬度大，能够在磨损表面沉积，进而减少或防止磨损的产生。目前不同的纳米材料在摩擦的领域已经取得了优异的成果。

（一）金属微粒。目前Cu和Ni等金属已经发现在石蜡中具有良好的减摩性能，能够显著降低摩擦系数和磨斑，其作用机理是由于金属微粒能够在摩擦表面沉积的物理作用而非化学反应，沉积的金属不易脱落，能够起到良好的减摩抗磨作用。进一步将Cu金属加入到润滑油中，其润滑性能提高十倍左右。

（二）金属氧化物。TiO2、ZrO2、Al2O3等。氧化物除了单独使用外，两种配合物也可以复合使用，例如纳米CeO2和TiO2两种微粒同时添加在润滑油中产生优异的润滑性能， CeO2微粒的增加可以适当减少TiO2的使用。

二、纳米过渡金属硫化物的主要性能特点

过渡金属指Mo、W两种金属，过渡金属本身具有密度大、熔点高、延展性好等优点，与S、Se形成的硫化物为密排六方结构，变形小，熔点高，是一种优质的固体润滑剂。

纳米WS2微粒稳定性好、使用温域宽、承载高负荷，添加在润滑油中能够有效降低磨斑和摩擦系数，达到减磨抗摩的效果。采用不同的制备方法能够合成性能差异的纳米WS2微粒，通过不断地研究探索，开发修饰剂对纳米WS2微粒表面进行修饰，能够提高其与基础油的配伍性，改善稳定性，提升纳米WS2的性能，进而扩大应用范围。进一步的研究发现，当负荷较低时起润滑作用的主要是有机分子，负荷增大后起作用的转变为熔融态的纳米粒子，在摩擦表面形成一层润滑膜，减少了摩擦表面的磨损。

纳米MoS2作为一种应用广泛的纳米润滑油添加剂，由于其硫元素对于金属的吸附作用，使MoS2在高温高压下依然能够有效的吸附在摩擦表面，MoS2的粒径越小，表面积越大，润滑性能越好，这也是纳米MoS2与普通MoS2的区别，因此MoS2的超细化研究成为重要的研究方向。经过DDP（二烷基二硫代磷酸）修饰的纳米MoS2 LB膜具有显著的润滑作用，LB膜在摩擦过程中发生化学反应，起到良好的抗磨性能。

三、过渡金属硫化物的发展方向

（一）微观机理的研究。虽然人们已经在摩擦的微观机理上进行了大量的探究，目前形成的机理主要是“轴承”理论、“膜”理论、“自修复”理论，但是由于摩擦实验的不可观测性，很多机理仍旧需要更加深入的实验验证。

（二）提高金属硫化物微粒的稳定性以及分散性。由于重力作用纳米微粒本身容易在油类物质中发生团聚，团聚后的微粒不但不具有润滑作用，反而会加剧磨损的产生，如果对微粒表面进行改性修饰，能够明显改善纳米微粒在润滑油中的分散稳定性，提升润滑剂的性能。

（三）高效、环保、经济的制备方法。以WS2为例，目前WS2纳米微粒的制备方法主要分为物理法和化学法，物理法是指将块状的二硫化钨经过粉碎细化制备出纳米WS2，这种方法操作简单，但是设备要求严格，粒径不易掌控，容易出现粒径不均，实现大规模工业化的生产存在一定的条件限制。化学法是通过化学反应将原料转变，制备出二硫化钨纳米微粒。化学法粒径容易控制，但是工艺流程比较复杂。目前规模化制备我纳米微粒的方法是以四硫代钨酸铵为原料，然而在制备过程中容易生成剧毒副产物H2S气体，不仅对工厂工作人员造成伤害同时也破坏了环境。因此，急需发明一种高效、环保、经济的生产方法。

参考文献：

[1]岳美娥，周惠娣.纳米微粒在摩擦学中的应用研究[J].润滑与密封，2003，（02）.

[2]王大全.纳米材料可提高润滑油脂减摩抗磨性能[N].中国化工报，2002，（03）.

[3]顾彩香，朱冠军，李磊，等.氧化物纳米粒子在润滑油中的摩擦学作用[J].Journal of Marine Science and Application，2009，（01）.

[4]李长生，李俊茂，刘艳清.纳米过渡金属硫化物在摩擦学应用中的研究进展[J].润滑与密封，2007， （02）.

[5]夏延秋，乔玉林.纳米粒子在摩擦学领域的应用发展现状[J].沈阳工业大学学报，2002，（04）.

[6]王春明，潘冶，佟晓辉.纳米硫化物及其涂层在摩擦学中的应用与发展[J].材料导报，2005，（05）.

[7]张平余，薛群基，刘维民等.不同金属基体上MoS2纳米微粒LB膜摩擦学行为研究[J].摩擦学学报，1999，（02）.

[8]王仁兵，顾卓明，等.纳米材料在润滑技术中的应用[J].内蒙古民族大学学报，2003，（18）.endprint