浅谈金属材料纳米化表面的摩擦学行为

2019-11-29黄凯

大众投资指南 2019年3期

黄凯

（池州学院，安徽池州 247000）

众所周知，只要物体之间存在接触并产生相对位移，则必将产生摩擦现象。摩擦行为是不可避免的，摩擦过程会将机械能转化为热能损失，因此，全球生产过程中由于摩擦损失导致数千亿美元的资源浪费，这是非常巨大的消耗。因此，尽可能地在机械设备运行过程中减少摩擦，是目前节约资源的有效方式，现阶段纳米金属材料也广泛地应用在机械设备中，非常有必要对纳米材料的摩擦过程进行探究，以便有针对性地对降低摩擦进行改进。

一、纳米材料摩擦行为研究

根据现有的研究报告可知，每年由于摩擦损失的能源相当巨大，有时甚至高达总能源消耗的一半，对于那些老化的设备或者早已被社会发展所淘汰却依旧使用机械设备，其摩擦损失可能达到总功率的80%，不仅仅包括摩擦生产的能量损失，还包含了为抵抗摩擦阻力而消耗的能量，此外，由于工作过程中还会产生不同程度的磨损，也将导致摩擦损失的不同。当机器磨损之后，各设备连接处的空隙也将增大，设备之间没有紧密结合很容易降低生产效率，间接地提高了生产成本，场次以往，机器由于老化等原因已不具备高效的工作能力，如果通过更换设备零件，又势必会增加一定的零件采购成本，同时，这些零件材料有需要经过运输、存储及维护，需要消耗大量的资金，这些都需要算入机械的运营成本之中，而且该成本消耗势必不小。早先通常使用添加润滑剂的方法来降低设备的摩擦损失，其机理主要是借助润滑剂来降低设备之间的摩擦系数，从而减小了摩擦损失，不同品种的润滑剂减小摩擦系数的程度也不同，在相当长的一段时间里，润滑剂都能起到良好的效果。但是，随着机械设备更加精密化和大型化，润滑剂已不再满足工业生产的需求，设备使用时间长依然会导致设备表面的磨损。这就需要通过对材料本身进行改进，于是，纳米材料孕育而生，并且在配合使用润滑剂之后，机器运行过程中摩擦行为明显得到了改善。而对于纳米材料如何改善摩擦行为的机理目前还未有统一的定论，有学者认为，纳米材料在摩擦过程中，由于纳米颗粒之间形成一个缓冲的机制，类似于宏观的垫片的功能；也有人认为，纳米颗粒将滑动摩擦转变为了颗粒间的滚动摩擦，从而进一步地降低了摩擦系数。随着对纳米材料是深入研究，有学者提出可纳米材料有可能发生沉降作用并填补到因摩擦出现的磨损区域的观点，由于能够自动修复设备的磨损表面，以至于大大提升了纳米材料的摩擦行为。但具体是哪种机理，还需要通过进步的实验研究，深入理解摩擦过程的原理。

二、纳米金属材料表面摩擦机理的研究

（一）纳米材料的摩擦性能

目前，润滑剂的中类有很多种，而对于固体润滑剂，主要有石墨和硫化钼等，这类润滑就通常具备层状结构，而且其微观结构成各向异性，导致其具备润滑性能。钼是一种属于过渡金属，形成的硫化钼也具有相应的片状结构，很多情况下以添加剂的功能被加入润滑油中。为了研究MoSe2的润滑性能时，将其加入值基础油中进行负荷试验，研究结果显示，在低负荷运转条件下，添加纳米级的MoSe2作为润滑剂添加剂，其润滑效果与微米级MoSe2的润滑效果没有明显差异，而在逐渐增大负载的过程中，MoSe2的摩擦性则慢慢体现出一定的优越性。随着进一步实验研究发现，当所加入的纳米级MoSe2的质量分数达到润滑剂的5%时具有最佳的润滑效果；而当负载值增加值50N之后，继续增加负载，其摩擦系数将逐渐减小，最后再一个平稳临界值。随后，使用纳米材料进行实验，结果发现纳米材料的表面摩擦痕迹达到了很大程度的改善。根据上述实验过程，可以知道，使用纳米材料能够有效地改善润滑油的润滑效果，并且MoSe2也在一定程度上具有减小摩擦的功能。

此外，还有一种性能更好的润滑剂，就是WSe2，它的运用没有使用MoSe2作为添加剂那么多要求的约束，而且其添加的含量差不多是总润滑剂的7%，在测量过程中也简单方便，并且通过对设备的电阻测定可以准确地判断识别之间的洁纯情况。还有一种主要成分为NbSe2做成的纳米材料，这种材料对环境要求的依赖性较低，虽然有一定的润滑效果，但相比于上述两种润滑剂来说，其润滑效果相对较差，但这种材料的优势是具有良好的导电性能。

（二）纳米润滑油添加剂

目前使用的很多总润滑剂都会在不影响质量要求的前提下加入一些添加剂。通常添加剂的含量很低，但却具有非常重要的作用，甚至重要性要高于润滑基础油。可以说，在基础油中加入添加剂无异于井上添花，添加剂的含量对润滑油的润滑效果起到至关重要的作用。它不仅能够提高机器的抗摩擦性，而且承受的负载也随之增大，还在一定程度上能够起到修复表面磨损的效果。通过研究发现，添加剂能够大大摩降低擦性能，从而使机器运行的速度增大，可以降低机器表面的粗糙度，并且还可以改善纳米材料的形貌结构。所以说，选用好的纳米材料添加剂，在添加剂的片状结构的作用下，容易产生滑移现象，从而在一定程度下降低了摩擦系数，从而降低摩擦能力损失。