纳米颗粒添加剂在润滑油中的应用

纳米颗粒添加剂在润滑油中的应用

黄昆

(广西大学材料科学与工程学院材卓121)

摘要：纳米材料科学的发展推动了纳米润滑技术的发展，纳米级材料作为润滑油添加剂的研究已受到广泛关注。已经发现的纳米金属、纳米氧化物、纳米硫化物、碳纳米管、富勒烯、金刚石以及纳米磁性颗粒等都能使润滑油的润滑性能大幅提高。该文综述了各种纳米颗粒润滑油添加剂的摩擦学性能，探究了它们的润滑机理。基于大量的实验研究结果比较了他们性能的优劣，提出纳米磁性颗粒作润滑油添加剂有其它材料不可比拟的优势，指出如何提高添加剂的分散稳定性是提高润滑油润滑性能的关键问题。

关键词：纳米颗粒；添加剂；润滑油

The Application of Nano—Particle Additives in Lubricating Oil

Huangkun

( Zhuo 121 Guangxi university of materials science and engineering materials)

Abstract:The development of nanomaterials science to promote the development of the nanometer lubricating technology, nanoscale materials as lubricating oil additives research has attracted much attention. Have found that the nanometer metal, nanometer oxide, nanometer sulfide, carbon nanotubes and fullerene, diamond and nanometer magnetic particles can make lubricating oil lubrication performance is greatly increased. This paper summarizes the tribological performance of various nanoparticles lubricating oil additive, explores their lubrication mechanism. Based on lots of experimental results compared their advantages and disadvantages, the performance of magnetic nanoparticles as lubricating oil additive has other materials incomparable advantages, points out how to improve the dispersion stability of additive is a key problem to improve the performance of lubricating oil.

keywords：Nanoparticles；additive；Lubricating oil

1概述

表面磨损是机械零件失效的主要形式，因此摩擦磨损和润滑理论是机械学的重要课题。随着工业技术的发展设备不断向高速、重载、集成化、高精度方向发展，由于机械运行条件的苛刻及内部温度过高导致的摩擦磨损已成为提高机械寿命的最大制约因素，实践的需求推动了润滑伦理研究的发展。一种广泛接受的观点认为没有润滑的情况下摩擦力的来源分为两个方面：一是滑动时接触点粘着点被剪断；二是硬金属表面的微凸体嵌入软金属表面，运动过程中产生推碾和犁沟效应。传统的润滑主要基于两个原理：利用流体压力分隔表面，避免接触；以牺牲性的表面化学膜保护表面，避免粘着和磨粒磨损的损伤。因此润滑油在改善机构润滑状态中起着关键的作用。为了改良润滑油的技术指标，以取得更好的润滑效果，纳米颗粒作为添加剂在润滑中得到了广泛的应用。纳米颗粒添加剂能显著

改善润滑。一方面纳米微粒加入润滑油中能改善润滑油的物理性能，如降低润滑剂的凝点，消除泡沫提高粘度，改善粘温特性等，从而提高零件的减膜和抗磨性；另一方面纳米微粒由于尺寸极小且形状类似圆形，可在零件相对运动是产生微轴承效应，变滑动摩擦为滑动和滚动复合摩擦，起到减小摩擦的作用；最主要的是纳米微粒能对受损零件表面进行自修复。纳米微粒具有很高的表面能能吸附在金属表面，形成吸附膜，随着运动的进行温度的升高纳米微粒渗透到材料表面在表面使材料的硬度大幅提高，抗磨能力大大加强。同时由于颗粒尺寸很小远远小于摩擦副表面磨损产生的磨痕，因此可以填补金属表面磨痕，从而达到修复损伤的功能，这就是所谓的自修复功能。本文对纳米颗粒添加剂在润滑油中的应用进行综述，介绍了常用的几类纳米润滑添加剂和他们的摩擦学性能，对他们的润滑机理进行了探讨，比较了它们的性能优劣。[ 1 ]

2金属单质纳米颗粒：铜、锡等作为润滑油添加剂的性能

超细金属粉以适当方式分散于各种润滑油中可形成一种稳定的悬浮液，这种润滑油每升中含有数百万个超细金属粉末颗粒，它们与固体表面相结合．形成一个光滑的保护层，同时填塞微划痕，从而大幅度降低摩擦和磨损，尤其在重载、低速和高温振动条件下作用更为显著．而在润滑介质添加剂中应用较多的金属纳米粉，包括铜、镯、银粉末等，这些金属纳粉有着与传统添加剂不同的减摩抗磨机理．在对载荷和转速对含纳米铜粉润滑油性能的影响。纳米添加剂的润滑油在低负荷下的抗磨性能并不理想，而在中、高载荷和转速下可以减少磨损，而且随载荷和转速的增加，磨损增加的趋势变缓。这是因为在低负荷下，一般润滑油可以形成混合润滑或流体润滑，这时纳米微粒的存在，一方面会对油膜的形成有不利的影响，另一方面低载时表面沉积的微粒也少，运转中反而有一定的冲蚀磨损作用；而在中、高负荷下，纳米添加剂形成的物理吸附膜或沉积膜起作用，并且纳米铜粉还可以在高载荷下碾压成膜，有承载和表面改性的双重功能，因而减少了磨损。最后得出结论(1)润滑油中添加纳米铜粉可以降低摩擦，减少磨损，并可大大提高润滑油承载能力。(2)添加纳米铜粉的润滑油更能适应高速重载和瞬时失油等特殊工况。[2 ]

徐建林作者采用Sb 纳米颗粒作为润滑油添加剂，研究不同摩擦条件下Sb 纳米颗粒作为润滑油添加剂的摩擦性能的实验中发现：

1) 当摩擦载荷为30、60 和90 N 时，在900SN基础油中添加Sb 纳米颗粒可不同程度地提高基础油的抗磨减摩性能。在实验中，当Sb 纳米颗粒添加量为0.50%、摩擦载荷为90 N 时，润滑油具有优良的减摩性能；当摩擦载荷为30 N，不同添加量Sb 纳米颗粒的润滑油均具有优良的抗磨性能。 2) 当摩擦载荷一定时，随着基础润滑油中Sb 纳米颗粒添加量的增加，摩擦副间的摩擦因数呈现先下降后上升的趋势。在Sb 纳米颗粒添加量为0.50%时，摩擦因数最低值。

3) Sb 纳米颗粒作为润滑油添加剂，在摩擦过程中起到动态自修复作用，同时其还可以附着在摩擦表面，对摩擦副表面起到保护效果，从而有效地改善润滑油 的抗磨减摩性能。[ 3 ]

3.氧化物纳米颗粒作为润滑油添加剂的性能

氧化物颗粒应用用于润滑油添加剂也是一个重要的研究方向，这些氧化物主要是氧化锌、三氧化二铝、氧化铅、氧化锆、氧化硅和一些氧化物复合纳米添加剂。能显著改善其润滑性能，尤其可以有效提高润滑脂的极压抗磨性，延长润滑脂和设备的使用寿命。

将所选的4种纳米氧化物加入基础脂中，利用四球机测试其极压抗磨性，

◇加入纳米ZrO2，能够明显提高润滑脂的承载和抗磨性能，这是因为纳米ZrO，经表面修饰后较均匀地分散在基础脂中，在摩擦表面会形成一种边界润滑膜，这是一种物理吸附膜，可以起到抗磨减压作用；沉积在摩擦面间的纳米ZrO2，可以填充工作表面的微坑和损伤部位，起到一种自修复作用。加入纳米Zro2的样品的摩擦系数比基础脂降低了50％～60％，且加入纳米ZrO，对提高润滑脂的抗微动磨损性能尤其出众，其摩擦系数在整个试验过程中波动较小，顶球磨痕直径也减小很多，较大程度地提高了润滑脂的抗磨性。

◇在润滑脂中加入纳米CeO2可以稍微提高润滑脂的极压抗磨性，但耐磨效果一般，原因可能是因为CeO2对润滑脂的感受性差，具体原因还需进一步分析。加入纳米CeO2，的样品的摩擦系数虽然有一定程度的降低，但摩擦系数在整 个试验过程波动较大，而且呈上升趋势。

◇在润滑脂中加入纳米AI2O3会产生副作用。其原因可能是纳米AI2o3会较大程度地破坏润滑脂的结构，导致其抗磨性及极压性大幅下降，影响润滑脂的性能加入纳米AI2O3的样品的摩擦系数大大升高。

◇在润滑脂中加入纳米SiO2能有效改善润滑脂的极压性，且磨斑表面磨痕较浅，比较光滑。[4]

4.硫化物纳米颗粒作为润滑油添加剂的性能

作为润滑添加剂使用的二硫化钼是一种层状结构的晶体，层内的原子通过化学键结合，作用力强，层与层之间则通过很弱的范德华力结合，容易滑离，摩擦系数低。二硫化钼作为润滑油添加剂能显著提高润滑油的极压性和减摩抗磨性能。采用不同方法制备的二硫化钼颗粒的形貌差别很大，摩擦学性能差别也很大。于光旭对不同形状二硫化钼纳米颗粒作为润滑油添加剂的性能作了对比研究，发现球状纳米颗粒的摩擦学性能最优。球状：二硫化钼纳米颗粒能显著提高润滑油的极压性，在添加量为1．5％是效果最好，最大无卡咬载荷达到932 N。二硫化钼还能起到明显的减摩作用，当加入的质量分数为o．1％时，磨斑直径下降达50％。二硫化钼的抗磨减摩性能主要归功于它的小尺寸效应和层状结构，其润滑机理可总结为三点。一是由于其颗粒粒径小，在摩擦过程中嵌人摩擦副表面的凹谷中将其填平，起到自修复作用；二是二硫化钼吸附在摩擦副表面形成润滑膜，由于其为层状结构曾经摩擦力小，所以不仅隔了了摩擦副间的接触，还大大减小了摩擦系数。由于二硫化钼表面能高易吸附，能及时补充因磨损而脱落的吸附膜，使这层吸附膜处于动态平衡中；三是二硫化钼为类似球状的颗粒，当摩擦副产生相对滑动是，球状颗粒起到微轴承作用，变滑动摩擦为滚动摩擦。硫化铅纳米颗粒也可以作为润滑油添加剂，陈文君合成了油酸修饰纳米硫化铅颗粒并对其摩擦学性能进行了研究，硫化铅的最佳添加量为0．3％，添加后磨斑直径降低了26％。硫化铅在润滑油中的分散稳定性对其性能的影响很大，研究表明硫化铅颗粒的粒径大小是影响其分散稳定性的重要因素之一，粒径越小溶液稳定性越好。[1] 5碳的同素异形体作为润滑油添加剂的性能

石墨是传统的固体润滑材料，其晶体结构为层状，层与层直径是以范德华力结合，因此石墨具有良好的润滑性能，而且具有耐高温、抗腐蚀、自润滑等性能，这为它的应用提供了更广阔的空间。石墨纳米颗粒作为润滑油添加剂也具有优异的性能。作为固体润滑剂及润滑油添加剂已广泛应用于机械设备以及机械加工的润滑，起到了节能降耗、提高生产效率和延长机械部件使用寿命的作用石墨还具有无化学污染和经济低廉等特性，其多种衍生物，如氟化石墨、金属化合物插层

石墨和硼化石墨等在润滑领域获得了良好应用研究表明，石墨作为自润滑剂能显著改善复合材料的减摩抗磨性能；天然鳞片石墨与油溶性添加剂具有较强的相互作用，可有效地改善油品的润滑性能在黄海栋等的片状纳米石墨添加剂的摩擦磨损性能测试中发现钢球磨斑直径随着片状纳米石墨含量的增加而明显减小，当片状纳米石墨含量为50ppm时，相应的钢球磨斑直径最小；随着片状纳米石墨含量的继续增加，钢球磨斑直径有所增大这表明片状纳米石墨可以改善基础油的抗磨性能，其添加量为50ppm。在在销盘摩擦磨损试验机上黄铜钢摩擦副的摩擦系数基础油润滑下的摩擦系数明显较大，而含片状石墨的液体石蜡润滑下的摩擦系数较小且较稳定石墨具有六方晶系晶体结构，其层与层之间以范德华力结合，容易滑动，故表现出良好的减摩作用［5］,加入分散剂后，表面吸附分散剂活性基团的片状纳米石墨更易沉积到钢球表面，在摩擦剪切力及法向载荷作用下石墨晶体层与层之间发生解理，并沿着解理平面滑动，形成薄片状润滑膜，从而更有利于抗磨减摩作用发挥。富勒烯分子呈球状，它是60个碳原子以C—C键相连组成的32面体空心笼状结构分子，它的抗压能力强，硬度高，热稳定性好，有很好的摩擦学特性。但由于富勒烯在润滑油中难分散且不稳定，早期的研究并不能达到理想的润滑效果。对富勒烯进行表面修饰制备的富勒烯马来酸酐聚合物微球和富勒烯一聚苯乙烯一马来酸酐三元共聚物微球提高了富勒烯在润滑油中的分散性，对润滑性能的改善有很大帮助。研究表面经表面处理的富勒烯能使基础油极压值提高约270％，摩擦系数减小73％。碳纳米管是富勒烯的一种衍生物，中间为中空管状，两头为半球状。碳纳米管在改善低载时的润滑性能方面表现出良好的性能，但在载荷很高时效果不明显。清华大学郭晓燕等对长1～2微米直径11—20 nm经表面修饰的碳纳米管的摩擦学性能进行了实验研究，实验证明碳纳米管的添加量在0．0125％~0．05％之间时润滑性能最好，磨斑直径最大降幅达30％，摩擦因数降低28％。富勒烯和碳纳米管的减摩机理基本相同，都是在摩擦副之间形成“隔离层”，避免直接接触。另外它们都能在摩擦副表面实现微滚动，减小摩擦。但是富勒烯的润滑效果比碳纳米管要好的多，这主要是因为富勒烯为球状，更利于滚动，另外富勒烯还可以渗入材料表面加强材料硬度。纳米管尺寸较大影响润滑效果。但碳纳米管造价低，这有利于它应用于实际生产中。[ 1] 6纳米磁性颗粒作为滑滑油添加剂的性能

将纳米级的磁性颗粒如四氧化三铁等经过表面修饰后分散在润滑油中，能显著提高润滑油的性能。这就是近来研究很多的磁流体润滑，这种磁性颗粒的尺寸在5—10 nm之间，极小的尺寸对改善润滑油的性能起着关键性的作用，有研究表明在磁性颗粒质量分数为10％时润滑性能最好，摩擦因数最大可降低35％左右。除此之外，由于多数磁流体都表现出超顺磁性，在外部磁场的作用下其粘度会发生很大的变化，在润滑过程中我们可以根据不同的工况改变；'l'JJn磁场强度以达到最优的润滑效果。池长青开创性的指出磁流体润滑是为了利用外加磁场来调节磁流体的承载能力，而不仅仅是为了获得高的承载能力。外加磁场控制磁 流体润滑另一个显著的优点就是使磁流体在摩擦副表面形成的吸附膜更牢固更持久。另外在磁场的作用下润滑油会始终保持在需要润滑的部位，实现自密封的功能。还省去了传统润滑所必需的泵等辅助设备，节省开支，节约能源。大多机械磨损最严重的时期都发生在机器启动工程中，这是因为这机器停运的时润滑油都回流到了油箱，摩擦副之间没有润滑油，直接接触，机器启动时润滑油不能及时流到摩擦副表面，造成磨损严重。磁流体润滑为这一难题提供了解决方案，磁流体纳米颗粒在磁场的作用下一直吸附于摩擦副表面，未启动先保护，这就避免

了机器启动工程中的严重磨损，延长机器寿命。 7总结

纳米颗粒作为润滑油添加剂，因其具有优异的减摩、抗磨性能表现出了广阔的应用前景．为进一步推动该领域研究的发展，作者认为今后还应在以下方面继续开展工作：

1)活性剂的选择是解决纳米粒子在润滑油中的分散及稳定性的重要突破口，也是纳米添加剂能够实际应用的前提．研究纳米颗粒与其它添加剂的配伍情况，即加强纳米颗粒与油品兼容性方面的研究。

2)纳米润滑油的减摩抗磨机理现在有很多种，虽然有些已经应用于解释各种抗磨减摩现象，并取得了一定的成果，但还缺乏进一步的实验验证。

3)对纳米润滑材料的研究，从发展趋势来看，应当注意深入系统地研究纳米颗粒组成、粒径、修饰剂成分等对润滑剂性能的影响，探讨抗磨或“自修复”机制，以指导纳米润滑添加剂的研究开发．同时还应进一步设计和发展具有良好抗磨性能、提高承载能力、对磨损表面具有一定磨损修复功能、对环境无污染或少污染的新型纳米润滑油添加剂，以满足高科技应用和环保方面的需要。[6]

参考文献

[1]王晴等，纳米颗粒在机械中的应用1000-4858（2012）-06-0001-05 [2]汪剑,江利,戚琴花,等纳米铜粉作为润滑油添加剂的性能研究， 254—0150(2009)3—066—3

[3]徐建林,冯冲,牛磊等添加Sb 纳米颗粒润滑油的摩擦学性能， 1004-0609(2015)-05-1300-08

[4]张晓凯，李倬，高艳青几种纳米氧化物添加剂对润滑脂的影响， 中国石油化工股份有限公司润滑油天津分公司

[5]黄海栋，涂江平，片状纳米石墨的制备及其作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能 1004-0595（2005）04-0312-05

[6]朱光耀，朱冠军等，纳米润滑油添加剂的应用现状与展望 1005—8354(2009)0243030-04

[7]周峰，王晓波等，纳米润滑材料与技术北京：科技出版社2014.3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2237.html