纳米润滑油添加剂润滑机制的研究进展

孙双秋 ， 孙圣迪 ， 张延波 ， 王瑞鑫 ， 杨晓怡 ， 陈志峰

（1.河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 054000；2.河北省中小型非标装备技术创新中心，河北 邢台 054000；3.河北省阀门智能装备工程研究中心，河北 邢台 054000；4.河北中煤四处矿山工程有限公司，河北 邢台 054000）

0 引言

轴承是机械设备中一种重要的零部件，被广泛应用于航空、矿山、农业等行业的设备中。轴承的润滑可以减少轴承内部摩擦以及磨损，延长其使用寿命，同时排除摩擦热，防止轴承过热。目前，轴承的润滑方法分为脂润滑和油润滑。

随着纳米技术的迅速发展，纳米颗粒作为一种环保型材料，具有体积小、比面积大等特点，在摩擦润滑方面有很好的应用前景。试验研究表明，在轴承副的润滑油中添加SiO2纳米颗粒可以有效地延长滚动轴承的使用寿命[1]；将纳米颗粒均匀分散添加到润滑油中，可以更有效地提高润滑性能，起到抗磨减摩的效果[2]；零维到三维的纳米颗粒均具有良好的抗磨减摩性能[3]；化学合成的纳米颗粒相比机械球磨颗粒具有更好的抗磨减摩效果[4]。但由于摩擦过程比较复杂，针对纳米颗粒作为添加剂的抗磨减摩机制尚不明确。目前，对纳米颗粒摩擦学性能的研究表明，其主要有填充作用、成膜特性、滚珠效应以及抛光作用四种润滑机制。但是，由于宏观试验无法完整地观察到摩擦的整个过程，导致现有的纳米颗粒润滑机制多数处于猜想阶段。

计算机仿真技术可以辅助试验研究，验证纳米颗粒在摩擦过程中的润滑机制。目前针对纳米颗粒摩擦润滑机制研究的仿真方法主要有分子动力学法和有限元分析法。分子动力学法主要研究单个分子的运动，可以探究现象的本质以及各个分子的运动规律，尤其可以对理论分析以及试验观察中难以理解的现象作出解释[5]。有限元分析法主要是建立在接触力学和弹塑性力学基础之上的一种计算方法。

1 填充作用

现有的研究表明，纳米颗粒作为添加剂在摩擦过程中会起到填充作用，提高润滑油的抗磨减摩性能，主要表现为颗粒沉积到带有粗糙度的摩擦表面，对表面凹坑和磨痕起到修复作用。

马剑奇等[6]采用四球摩擦磨损试验机研究了油溶性Cu 纳米粒子作为CD15W/40 柴油机油添加剂的摩擦学性能。试验研究表明，在最佳纳米Cu 微粒含量条件下，Cu 纳米微粒作为添加剂明显改善了润滑油的摩擦学性能。试验通过采用SEM、EDS和XPS分析得出，摩擦过程中形成的磨斑表面存在Cu元素，并且和基础润滑油相比，添加纳米Cu 微粒的摩擦表面磨斑尺寸显著减小。由此可以得出，纳米颗粒的润滑机制是纳米Cu添加剂在摩擦过程中沉积到了磨损表面，改善了摩擦表面的表面质量，起到了填充作用。李宝良等[7]采用MRH-3 高速环块摩擦磨损试验机研究了Cu、Al、Al2O3以及MgO 纳米微粒的摩擦学性能。试验研究表明，在压力作用下直径比较小的纳米颗粒会进入到粗糙摩擦表面的犁沟内起到填充作用。

宏观的试验研究仅仅是通过试验仪器对摩擦表面形成的磨斑的表面元素种类进行了分析，初步判定了纳米颗粒的润滑机制是填充作用。计算机仿真分析可以更有效地验证试验结论。胡成志[8]采用分子动力学方法研究了纳米颗粒作为流体添加剂在非平面下的滑动摩擦过程。试验研究表明，非平表面的纳米流体的剪切应力低于基础流体，表现出了减摩的效果，这主要是由于纳米颗粒起到了填充的作用，修复了摩擦表面，从而降低了摩擦阻力。Ji 等[9]同样采用分子动力学方法对纳米颗粒的作用机理进行了研究。研究表明，纳米颗粒作为添加剂在摩擦过程中会发生吸附、团聚和填充作用，如图1 所示。通过在摩擦表面构建三个型腔来表征表面的粗糙度，纳米颗粒在摩擦过程中会填充到凹坑中，起到填充作用。

图1 纳米颗粒吸附、团聚和填充过程

李云凯等[10]采用有限元分析法对水润滑轴承摩擦学性能进行了分析，探究了水膜承载能力和减摩性能的优化情况，并进行了机理分析。研究表明，流体动压润滑效应的形成，使得水膜具有更优的承载能力和减摩性能。有限元分析仅适用于宏观接触力学和弹塑性力学方面的研究，无法深入到纳米层级对单个分子的运动规律作出解释。

2 成膜特性

纳米颗粒作为添加剂在摩擦过程中会发生物理和化学变化，主要表现为软质纳米颗粒在重载情况下发生变形以及低熔点纳米颗粒在高温情况下发生化学反应。研究表明，纳米颗粒在摩擦过程中会在摩擦表面形成一种保护膜，起到提高润滑油抗磨减摩性能的作用。徐建林等[11]采用CFT-1 型材料性能测试仪对纳米锑颗粒进行了润滑摩擦学性能的研究。研究表明，纳米锑在磨痕表面形成了表面膜，保护了摩擦表面，展现出良好的抗磨减摩效果。通过磨斑表面的SEM 照片可以观察到摩擦表面上有一层不连续的润滑膜，这主要是由于纳米粒子在高温接触区很容易和摩擦表面发生作用，从而形成润滑膜保护层。

徐楠等[12]采用UMT-2 摩擦学试验机对纳米碳酸钙作为润滑脂添加剂的摩擦学性能及流变行为进行了研究。研究表明，碳酸钙纳米粒子在摩擦过程中受到摩擦副的挤压，发生了物理变形，并在接触区形成了润滑膜。通过XPS 图谱可知，磨斑表面的润滑膜成分仍为碳酸钙。由此可知，纳米颗粒仅通过物理变形也会在摩擦区域形成润滑膜，起到抗磨减摩的效果。Peng 等[13]对SiO2纳米颗粒作为液体石蜡添加剂的摩擦学性能进行了研究。AFM 显示了嵌入摩擦表面而沉积的SiO2纳米颗粒，这些镶嵌的纳米颗粒在摩擦表面形成边界润滑膜，阻止了两个摩擦表面的直接接触，如图2 所示。

图2 钢球磨损表面的AFM显微照片

彭润玲等[14]通过仿真分析观察到在重载情况下，Cu 纳米颗粒发生团聚，并且吸附到摩擦表面，形成了保护膜。Hu 等[15]在边界润滑条件下研究了纳米Cu 颗粒的润滑机理。研究表明，在一定载荷下，Cu纳米颗粒在摩擦过程中会发生变形，如图3 所示。Cu纳米颗粒在剪切力的作用下铺展在摩擦表面，从而形成了一层固体的润滑膜。由于分子动力学仿真计算量有限，分子间的相互作用力比较复杂，通过分子动力学方法研究纳米颗粒和摩擦表面化学润滑膜的形成比较困难。

图3 不同时刻摩擦状态及Cu 纳米颗粒的变形过程

3 滚珠效应

硬质纳米颗粒作为润滑油添加剂在重载摩擦环境下不会发生变形，但同样可以起到抗磨减摩的效果。因此，不少学者推测纳米颗粒在摩擦过程中起到了滚珠效应，变滑动摩擦为滚动摩擦。李宝良等[7]在研究几种纳米颗粒作为添加剂时的摩擦特性时指出，Al2O3纳米颗粒由于其硬度较大，在添加润滑脂后，摩擦因数和摩擦力均减小。由此推断出，Al2O3纳米颗粒起到了滚珠轴承的作用，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，起到了抗磨减摩的效果。但是试验研究中，并未观察到纳米颗粒的滚动现象。

分子动力学仿真分析可以很好地验证试验研究。He 等[16]通过分子动力学的方法研究分析了纳米颗粒在摩擦表面间的运动情况，研究表明纳米颗粒在摩擦过程中存在滚动运动。Ji 等[9]在研究中发现，SiO2纳米颗粒在摩擦过程中存在滚动摩擦，但是在整个的摩擦过程中纳米颗粒也伴随着滑动摩擦，如图4 所示。因此可以得出，纳米颗粒作为添加剂在摩擦过程中存在滚珠效应，同时滑动和滚动摩擦在整个摩擦过程中均存在，但是对于滚珠效应出现的条件还不是很清楚。

图4 滑动摩擦过程中纳米颗粒的滚动过程

4 抛光作用

在摩擦过程中，硬质纳米颗粒会对非平面的摩擦表面进行微处理，使得摩擦表面的粗糙度降低，从而达到提高抗磨减摩效果的目的。Sia 等[17]通过磨斑的SEM 图像观察到SiO2纳米颗粒抛光的摩擦表面。试验数据表明，由于纳米颗粒的抛光作用导致摩擦过程中的摩擦温度降低，由此也可以说明摩擦表面的粗糙度降低，摩擦表面变得平整。

Zhao 等[18]采用分子动力学方法证实了纳米粒子在摩擦过程中的抛光作用。Hu 等[19]研究了硬质纳米颗粒对摩擦表面形貌的影响。研究表明，纳米金刚石和SiO2纳米颗粒在摩擦过程中会改变摩擦表面的表面形貌，对摩擦表面起到抛光作用，如图5 所示。但是纳米颗粒会发生团聚现象，团聚后的纳米颗粒会对摩擦副起到支撑作用，同时粒径也会增大[14]。大粒径的纳米颗粒会改变摩擦表面的表面形貌，在摩擦表面形成犁沟，从而增大摩擦表面的粗糙度[20]，如图6所示。因此，保证纳米颗粒在润滑介质中的分散稳定性显得尤为重要。

图5 纳米金刚石和SiO2纳米颗粒对Fe块表面着色的形貌变化

图6 大粒径纳米颗粒对摩擦表面的影响

5 结论与建议

目前的研究结果表明，纳米粒子作为润滑油添加剂在摩擦过程中表现出明显的抗磨减摩性能。通过试验研究和仿真分析，明确了纳米颗粒在摩擦过程中的填充作用、成膜特性、滚珠效应和抛光作用四种润滑机制。分子动力学仿真可以研究单个分子的运动、探究现象的本质，有助于对纳米颗粒添加剂作用机理的更深度研究。

但是目前的研究工作仅仅是一个开端，还有许多问题需要研究解决。首先，分子动力学计算方法的计算量有限，需要不断优化新的算法。其次，试验研究和纳米层级仿真在关联性方面有待提高，有限元分析法和分子动力学法耦合计算的研究是一个重要方向。再次，纳米颗粒在摩擦过程中存在滚动摩擦和滑动摩擦，目前对滚动摩擦出现的条件还不清楚。最后，纳米颗粒在润滑油中会发生团聚，不利于提高抗磨减摩性能，保证纳米颗粒在润滑油中的分散稳定性是当务之急。