微納米潤滑材料在潤滑中的應(yīng)用

微納米潤滑材料在潤滑中的應(yīng)用

磨損是指滑動、滾動或碰撞過程中相互接觸的固體表面的損傷或退化。在大多數(shù)情況下，表面微凸體的相互作用是造成磨損的根本原因。2006年，我國因摩擦磨損造成的損失約9.5億元，占gdp的4.5%。為了減少機(jī)械部件在運(yùn)行過程中由于摩擦而造成的能量損失和設(shè)備損傷，世界各國都在加強(qiáng)相應(yīng)的潤化和潤滑劑技術(shù)的研究。潤滑劑的類型包括液體潤滑劑、半固體潤滑劑、固體潤滑劑和氣體潤滑劑.在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用機(jī)械設(shè)備中,以液體、半固體潤滑劑的應(yīng)用最為廣泛.改進(jìn)和提高潤滑劑的減摩、抗磨性能,研制出具有性能更優(yōu)的潤滑劑是提高潤滑技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)性課題之一.微納米材料與潤滑技術(shù)相結(jié)合,制備出同時具有減摩、抗磨和修復(fù)功能的潤滑材料,是近年來摩擦與潤滑領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),也是微納米材料與潤滑劑相結(jié)合的切入點(diǎn).微納米自修復(fù)技術(shù)是機(jī)械設(shè)備智能自修復(fù)技術(shù)的主要研究內(nèi)容之一,它是指在不停機(jī)、不解體狀況下,以液體或半固體潤滑劑為載體將微納米材料輸送到裝備摩擦副表面,并通過摩擦副之間產(chǎn)生的摩擦機(jī)械作用、摩擦化學(xué)作用、摩擦電化學(xué)作用等交互作用,使微納米材料與摩擦副材料、潤滑劑之間產(chǎn)生復(fù)雜的物質(zhì)交換和能量交換,最終在零部件磨損表面原位生成1層具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫或超潤滑等特點(diǎn)的保護(hù)層,實(shí)現(xiàn)裝備磨損表面的動態(tài)自修復(fù).以微納米材料為基礎(chǔ)開發(fā)的潤滑劑減摩、抗磨、自修復(fù)技術(shù)已成為現(xiàn)代再制造技術(shù)的發(fā)展方向之一,也是再制造領(lǐng)域的創(chuàng)新性前沿研究內(nèi)容,具有廣闊的應(yīng)用前景.1納米微潤滑劑1.1微納米潤滑添加劑液體潤滑劑包括天然有機(jī)物(動物脂肪、蔬菜油、礦物或石油煉制油等)、合成有機(jī)物以及2種以上這些材料的混合物.各種添加劑用于改善液體潤滑劑的特殊性能.現(xiàn)有的微納米潤滑材料多以添加劑的形式存在于液體潤滑劑中,主要有微納米單質(zhì)粉體、硫?qū)倩衔?、氫氧化物、氧化物、稀土化合物、硅酸鹽等.1.1.1納米cu作為添加劑減摩性能納米單質(zhì)粉體材料包括納米金屬粉體和微納米碳類同素異形體材料等.1983年Hisakado等詳細(xì)報(bào)道了一系列粒徑在30~500nm的粉體(如Pb、Ag、Cu)作潤滑油添加劑的使用情況,指出在邊界潤滑條件下,當(dāng)大量固體微粒進(jìn)入摩擦表面時,這些固體微粒可以起到極好的抗磨減摩作用,使得潤滑油表現(xiàn)出優(yōu)良極壓性能,并且粒徑越小摩擦學(xué)性能越好.Teterin將粒徑為40~500nm的鉬粉,按質(zhì)量0.1%添加到基礎(chǔ)油中,考察了鋁合金-鑄鐵配副的摩擦學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)與基礎(chǔ)油相比,加入鉬粉可使摩擦系數(shù)從0.16~0.18降到0.08~0.12.裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對納米金屬Cu潤滑材料進(jìn)行了研究,采用液相還原法制備的納米Cu潤滑材料通過表面化學(xué)修飾后,能夠良好地分散在潤滑油中,具有優(yōu)良的摩擦學(xué)特性,并可以在摩擦副表面形成銅質(zhì)修復(fù)層,起到修復(fù)磨損的作用.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究納米Cu在聚乙二醇溶液中的摩擦磨損性能中,發(fā)現(xiàn)納米Cu粉可以顯著提高聚乙二醇的抗磨和減摩性能.這是由于納米銅在鋼球磨斑表面形成了銅沉積膜和微量的一價氧化銅.Zhou等研究表明,有機(jī)物修飾的納米Cu添加劑在液體潤滑劑中具有明顯的減摩、抗磨和極壓承載作用.賓曉蓓等制備出石墨結(jié)構(gòu)層包覆銅納米粒子復(fù)合材料(GECNP),在摩擦學(xué)性能研究中,發(fā)現(xiàn)GECNP添加劑可以提高潤滑油的承載能力,降低摩擦系數(shù),提高耐磨性.在載荷1667N下,當(dāng)GECNP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時,摩擦系數(shù)和磨斑直徑達(dá)到最小值,并且在摩擦副表面檢測出銅元素沉積,形成了磨損自修復(fù)層.黨鴻辛等考察液相分散法制備的平均粒徑為60nm的油溶性鉍納米微粒的減摩抗磨性能時,發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加量處于0.04%~1.00%范圍內(nèi)時,鉍納米微粒表現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能,并能顯著提高基礎(chǔ)油的失效負(fù)荷,但并未在鋼球磨損表面沉積成膜.于偉等采用MMW-1型立式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察了含納米銀液體石蠟的摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明納米銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的液體石蠟的減摩性能最佳,并可以有效地改善液體石蠟的減摩抗磨性能.Ma將粒徑小于200nm的石墨分散在基礎(chǔ)油中作為摩擦改性劑,用往復(fù)和四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評價了摩擦學(xué)行為,發(fā)現(xiàn)添加量為3%~5%時能顯著改善油品的摩擦學(xué)性能.黃海棟等制備了平均直徑1μm、厚度10~20nm的片狀納米石墨,研究片狀納米石墨作為液體石蠟添加劑的摩擦磨損性能.結(jié)果表明片狀納米石墨能夠顯著提高潤滑油的抗磨性能及承載能力,降低摩擦系數(shù),其最佳添加量約為0.005%.Gupta等考察了C60作為潤滑油和潤滑脂添加劑的抗磨性能,結(jié)果顯示在基礎(chǔ)油中添加5%的C60可使鋼盤磨痕直徑從300~380μm降到120~130μm,鋼球的WSD值從200μm減小到60μm,摩擦系數(shù)降幅約20%.喬玉林等考察金剛石納米顆粒對薄膜潤滑性能影響時,發(fā)現(xiàn)金剛石納米顆粒在摩擦過程中不斷地分散和團(tuán)聚,并在呈現(xiàn)時間效應(yīng)的同時,又在摩擦副表面產(chǎn)生“微滾動”效應(yīng),使摩擦力減小.張家璽等在研究納米金剛石顆粒對發(fā)動機(jī)潤滑油摩擦學(xué)特性的影響中指出:納米金剛石顆?？蓾B入到摩擦表面而形成極薄的固體潤滑膜,從而有效地阻止摩擦表面的直接接觸,進(jìn)而提高承載能力和減輕磨損;摩擦系數(shù)低而平穩(wěn)是滾動摩擦效應(yīng)的結(jié)果.1.1.2微球形mo3的摩擦學(xué)性能Zhang等早在10年前即嘗試將有機(jī)硫磷酸修飾的MoS2納米顆粒用作潤滑油抗磨添加劑,并發(fā)現(xiàn)經(jīng)有機(jī)硫磷酸修飾的MoS2納米顆粒在液體石蠟中的分散穩(wěn)定性顯著提高,具有明顯的減摩、抗磨和極壓承載作用.傅洵等利用化學(xué)表面修飾制備的微球形MoS2有效地改善了基礎(chǔ)油的極壓性能和抗磨減摩性能,并提出磨損機(jī)理為邊界潤滑條件下的化學(xué)吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜、化學(xué)沉積膜以及滾動摩擦.Liu等研究二烷基二硫代磷酸(DDP)修飾的納米ZnS和納米PbS的摩擦學(xué)性能時,發(fā)現(xiàn)ZnS和納米PbS可提升摩擦副的抗磨效果,并伴有1層化學(xué)反應(yīng)膜在摩擦表面生成,改善了摩擦副的摩擦學(xué)性能.此后,一系列有機(jī)物修飾的硫?qū)倩衔锶鏩nS、MoS2等相繼研制成功.王九等和烏學(xué)東等提出了納米CuS和納米MoS2的減摩抗磨機(jī)理:在中低負(fù)荷下,納米粒子起“微滾珠”作用,將滑動摩擦部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦;而在較高負(fù)荷下,納米粒子在摩擦副表面生成化學(xué)反應(yīng)膜.由此,納米CuS和納米MoS2才表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能.1.1.3n-tio2和n-pbo潤滑添加劑胡澤善和陳爽先后研究了n-Zn(OH)2、n-Ni(OH)2、n-Mn(OH)2、n-Mg(OH)2、nTiO2、n-Sb2O5、n-ZnO、n-SiO2、n-Fe3O4作為潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)添加少量的納米粒子即可明顯提高基礎(chǔ)油的減摩抗磨性能及承載能力,并認(rèn)為納米粒子通過在摩擦表面的沉積,改善了油品的摩擦學(xué)性能.近年來,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制成功了經(jīng)有機(jī)物修飾的、具有明顯減摩抗磨功效的n-TiO2和n-PbO潤滑油添加劑.趙彥保等在分析n-TiO2減摩抗磨機(jī)理時,認(rèn)為在中低負(fù)荷下,表面修飾劑與摩擦表面形成吸附膜而起作用;在高載荷下,nTiO2粒子通過沉積或與摩擦副表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成能與基體結(jié)合良好的陶瓷薄膜或摩擦化學(xué)反應(yīng)膜,起到了減摩抗磨作用.胡澤善在研究納米氫氧化物時,也提出了納米粒子在摩擦副表面沉積而起作用的觀點(diǎn).霍玉秋等利用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測定了所制備的粒徑60nm左右的球形納米SiO2微粒作為500SN基礎(chǔ)油添加劑的摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明:納米SiO2作為添加劑可以顯著提高500SN基礎(chǔ)油的承載能力和抗磨性能,當(dāng)納米SiO2的添加量為2.0%時,相應(yīng)的PB值最高、磨斑直徑最小、摩擦系數(shù)最低.宣瑜等在對表面修飾的納米AlOOH粒子及納米Fe3O4粒子在液體石蠟中的摩擦學(xué)性能的研究中,發(fā)現(xiàn)二者均能提高液體石蠟的減摩耐磨性能和PB值,納米AlOOH粒子因具有層狀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出更好的減摩耐磨性能,磨斑表面分析結(jié)果顯示納米粒子能沉積在摩擦副表面,減少摩擦副表面微凸體的直接接觸,從而減少微凸體之間的犁削和黏著.1.1.4納米稀土氟化物潤滑添加劑Zhang等在研究10~50nm的La(OH)3的摩擦學(xué)性能時,發(fā)現(xiàn)La(OH)3是優(yōu)良的極壓減摩添加劑,并具有低毒、低污染的特性.Qiu等經(jīng)分析納米稀土氟化物潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能,得出納米CeF3和LaF3具有良好的極壓性和減摩性.減摩機(jī)理為:在摩擦力和壓應(yīng)力聯(lián)合作用下,具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的納米稀土氟化物,在摩擦表面沉積,形成易剪切層,而表現(xiàn)出減摩性能.但稀土氟化物中的氟離子化學(xué)活性較高,易與摩擦副基體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而導(dǎo)致基體腐蝕,因此過量的納米稀土氟化物會使摩擦表面的承載能力和抗磨能力下降.1.1.5減摩抗磨自修復(fù)機(jī)理清華大學(xué)的金元生等用1種主要成分為羥基硅酸鎂[Mg6Si8O10(OH)8]的層狀硅酸鹽,制備了金屬磨損自修復(fù)劑.研究表明:該金屬磨損自修復(fù)劑在摩擦過程中,可以改變45#鋼摩擦副的潤滑狀態(tài),實(shí)現(xiàn)減摩抗磨自修復(fù)作用.高玉周等和陳文剛等在研究硅酸鹽蛇紋石粉體作為潤滑油添加劑在金屬磨損表面的自修復(fù)成膜性能中,發(fā)現(xiàn)蛇紋石粉體的加入能夠有效地降低摩擦副的磨損量,提出保護(hù)層的生成與摩擦釋放的能量相關(guān),所形成保護(hù)層的主要組成元素為Fe,O,C,Mg和Si說明蛇紋石粉體直接參與了膜的形成,而膜的形成不是蛇紋石粉體簡單地附著在摩擦副表面,而是在摩擦磨損過程中發(fā)生了一定的分解及物理化學(xué)反應(yīng).楊育林等和田斌等在該種材料的應(yīng)用研究報(bào)告中,則提出了不同的減摩抗磨自修復(fù)機(jī)理,他們認(rèn)為Mg元素并沒有參與修復(fù)層的形成.劉家浚等發(fā)現(xiàn):將添加劑添加到作為載體的潤滑油或潤滑脂中,通過摩擦副摩擦表面的相互運(yùn)動,首先較硬的礦物粒子會對摩擦表面進(jìn)行研磨和超精加工,使摩擦表面受到清洗、活化、粗糙度顯著下降.如果對摩面是較軟的材料,如巴氏合金,一部分硬粒子可能嵌入軟基體表面,有效地提高了其承載能力和耐磨性.在進(jìn)一步運(yùn)行后,礦物粉體粒子可能被粉碎,達(dá)到納米尺度,它們或者會擴(kuò)散進(jìn)入基體表面,引起晶體結(jié)構(gòu)變化,或者會在基體表面上發(fā)生復(fù)雜的摩擦化學(xué)與摩擦物理反應(yīng),把磨損下來的Fe粒子再沉積到磨損表面,繼而在高壓和高溫作用下轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)和性能與原基體完全不同的金屬陶瓷層.該保護(hù)層厚度可達(dá)10μm左右,顯微硬度比原始表面硬度提高近2倍,表面粗糙度下降了2個數(shù)量級,磨損尺寸得到明顯修復(fù).郭延寶等研究45#鋼/球墨鑄鐵摩擦副在650SN基礎(chǔ)油和含羥基硅酸鹽礦物復(fù)合微粉的650SN基礎(chǔ)油(KF-1)潤滑下的摩擦磨損性能中,發(fā)現(xiàn)在650SN基礎(chǔ)油潤滑下的摩擦系數(shù)和磨損率隨試驗(yàn)時間增加變化較小;而在KF-1潤滑下,試驗(yàn)初期的摩擦系數(shù)和磨損率比基礎(chǔ)油潤滑下的稍大,隨著試驗(yàn)時間的延長,相應(yīng)的摩擦系數(shù)和磨損率同基礎(chǔ)油潤滑下的相比明顯降低.磨損表面顯微硬度測試結(jié)果表明在KF-1潤滑下45#鋼磨損表面形成了多孔摩擦改性層,硬度明顯提高,因而摩擦磨損性能顯著改善.本文作者近年來也對該種材料進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)層狀硅酸鹽蛇紋石粉體具有獨(dú)特的亞穩(wěn)態(tài)層狀結(jié)構(gòu),其斷裂面上存在大量吸附特性很強(qiáng)的不飽和化學(xué)鍵,不僅可以吸附金屬離子,還可以吸附陰離子(團(tuán))和有機(jī)物.尤其是在受熱條件下,蛇紋石晶體發(fā)生脫除羥基反應(yīng),層狀結(jié)構(gòu)被破壞,比表面積急劇增大,吸附金屬離子的能力顯著提升.蛇紋石粉體的亞穩(wěn)態(tài)層狀晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為修復(fù)層的形成提供了先決條件,而摩擦過程中摩擦副表面微凸體間的相互擠壓剪切作用及所產(chǎn)生的瞬間高溫為修復(fù)層的形成提供了外在動力.因此,納米蛇紋石粉體可以在金屬表面形成含有Fe3C,Fe3O4及鐵鎂硅酸鹽納米晶的復(fù)合表面強(qiáng)化修復(fù)層,并可使摩擦副表面粗糙度大幅降低,顯著改善摩擦副的潤滑狀態(tài),降低機(jī)械設(shè)備的能量消耗.1.1.6納米顆粒作為潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能陳洪杰等通過直接對Bi-Pb-Sn-Cd四元塊狀合金進(jìn)行超聲分散,制備了顆粒平均尺寸10~20nm之間的四元合金納米微粒,并在考察該納米顆粒的摩擦學(xué)性能中,得出其作為潤滑油添加劑,能表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能的結(jié)論.李長生等通過加熱密封在石英管中或壓成片狀后密封于石英管中的Se和Nb混合粉,分別獲得了直徑為100~200nmNbSe2納米纖維和直徑為40~300nmNbSe2納米顆粒.在摩擦學(xué)性能試驗(yàn)中得出,NbSe2納米顆粒作為潤滑油添加劑具有明顯優(yōu)于基礎(chǔ)潤滑油的極壓減摩性能;同納米纖維相比,納米顆粒的減摩性能較好.1.2微納米潤滑添加劑半固體潤滑劑是在常溫、常壓下呈半流體狀態(tài),有膠體結(jié)構(gòu)的潤滑材料,也稱為潤滑脂.主要分為皂基脂、烴基脂、無機(jī)脂、有機(jī)脂等4類.一般來說,用于潤滑油的添加劑也適用于潤滑脂.潤滑脂中所添加的微納米潤滑材料多屬極壓抗磨劑,作用為提高潤滑脂的極壓性能和承載能力,且不影響潤滑脂基礎(chǔ)性能,其主要類型有微納米層狀無機(jī)物、軟金屬單質(zhì)、稀土化合物、氧化物和硅酸鹽.1.2.1極壓性表現(xiàn)出極壓性微納米層狀無機(jī)物主要包括二硫化鉬、二硫化鎢、石墨等.Risdon、Hafner、Muller、Gassenfeit和Drury研究二硫化鉬在潤滑脂中的摩擦學(xué)性能時,得出二硫化鉬可以提高潤滑脂的承載能力.陳惠卿在二硫化鉬加入高溫潤滑脂研究中,發(fā)現(xiàn)二硫化鉬能提高潤滑脂的潤滑能力,在潤滑膜遭受短暫的高熱或沖擊負(fù)荷時起補(bǔ)充作用,并表現(xiàn)出極壓性;同時可使?jié)櫥龀?提高密封性、防護(hù)性及熱安定性.Murugan等發(fā)現(xiàn)無磁性的WS2簇因內(nèi)部微粒重排而產(chǎn)生磁性,吸附在金屬摩擦表面上,起到潤滑效果.Jaroslave等發(fā)現(xiàn)WS2能在金屬表面形成納米膜,該納米膜對金屬摩擦表面能起到抗磨作用.Gregory等發(fā)現(xiàn)常溫下WS2的摩擦系數(shù)較低(約為0.08).Baranov等將銅粉中摻入10%的WS2粉末,發(fā)現(xiàn)加入WS2后銅粉在高速摩擦條件下的粘附性得到改善,并且摩擦系數(shù)波動減小.毛大恒等將WS2亞微米粒子作為高溫潤滑脂添加劑,對其在高溫潤滑脂中于不同溫度下所起的抗磨、減摩、抗極壓等摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:在不同溫度尤其高溫下,WS2亞微米粒子能顯著提高潤滑脂的摩擦學(xué)性能,并于摩擦過程中在摩擦副表面形成WS2吸附膜和含F(xiàn)e、S的化學(xué)反應(yīng)膜,從而有效降低磨損,增強(qiáng)潤滑脂的抗磨、減摩和極壓性.Cron等和Albert等研究了石墨在潤滑脂中的潤滑性能,提出了石墨的純度越高,減摩抗磨性能越好的觀點(diǎn).根據(jù)對比研究,Ruediger等指出作為潤滑脂添加劑,石墨與二硫化鉬的減摩抗磨極壓性相近,甚至更優(yōu).1.2.2納米金屬添加劑何灼成等將0.5μm的銅添加到12-羥基硬脂酸鋰基脂中,發(fā)現(xiàn)其可提高潤滑脂的最大無卡咬負(fù)荷(PB值)和燒結(jié)負(fù)荷(PD值).在一定負(fù)荷和溫度下,潤滑脂中的銅粉在摩擦表面沉積并與基體金屬和磨損微粒形成共晶,生成自修復(fù)膜,補(bǔ)償磨損.李成菊等的研究表明在摩擦過程中,微米銅粉通過潤滑脂為載體,可以實(shí)現(xiàn)在金屬表面形成自修復(fù)膜.李寶良等指出納米Cu、Al微粒及其混合物在鋰基潤滑脂中有很好的減摩、修復(fù)及抗膠合能力,且納米Cu、Al混合微粒優(yōu)于單一微粒在鋰基潤滑脂中的摩擦學(xué)性能.樊鳳山等發(fā)現(xiàn)納米金屬添加劑對不同潤滑脂潤滑性能的改善效果不同,對普通潤滑脂的效果比較明顯,對潤滑性能比較優(yōu)異的潤滑脂的作用不大,而且在一定程度上,納米金屬添加劑會降低潤滑脂的氧化安定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.1.2.3治療其他潤滑性能Dumdum等研究了CeF3作為潤滑脂添加劑的摩擦學(xué)性能及其與石墨和MoS2的復(fù)配作用,發(fā)現(xiàn)CeF3可以降低摩擦系數(shù),提高鋰基和鋁基潤滑脂的承載能力,但與石墨或MoS2復(fù)配后無協(xié)同效應(yīng).另外,在潤滑脂高溫潤滑性方面CeF3優(yōu)于MoS2.孫玉秋等發(fā)現(xiàn)LaF3可顯著提高鋰基潤滑脂的極壓抗磨性.1.2.4納米聚合物材料對潤滑性能的影響在研究微納米金屬氧化物潤滑脂添加劑中,王德國等得出TiO2、α-Al2O3、γ-Al2O3等具有較好的減摩抗磨性能和較高的承載能力.閆玉濤等利用溶膠-凝膠法制備了納米SiO2微粒,并研究其作為鋰基潤滑脂添加劑的摩擦學(xué)性能.結(jié)果表明:納米SiO2能提高PB值和PD值,降低摩擦系數(shù).曹智等在原位表面修飾納米SiO2微粒對鋰基潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響研究中,發(fā)現(xiàn)納米SiO2能提高潤滑脂的承載能力和PB值.王李波等研究了納米SiO2、納米LaF3及納米Ni等3類納米微粒作為鋰基潤滑脂添加劑對鋼-鋼摩擦副摩擦磨損性能的影響.LaF3鋰基潤滑脂潤滑下相應(yīng)的表面膜較薄且不均勻,Ni-鋰基潤滑脂潤滑下相應(yīng)的表面膜較厚且分布不均勻,而SiO2-鋰基潤滑脂潤滑下相應(yīng)的表面膜厚度適中且分布較均勻.1.2.5硅酸鎂對新型潤滑摩擦學(xué)性能的影響在層狀二硅酸鹽對潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響研究中,何灼成等認(rèn)為二硅酸鈉(鎂)能夠提高潤滑脂的PB值.孫玉秋等研究了含有Mg2+、Zn2+和Ca2+離子的3種層狀硅酸鹽對潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響,分析比較3種層狀硅酸鹽的摩擦學(xué)性能后得出:含硅酸鎂的潤滑脂具有較好的承載能力和極壓抗磨性.1.2.6納米cus-us負(fù)載型進(jìn)口潤滑添加劑除以上介紹的幾大類外,碳酸鹽、金屬硫化物、有機(jī)物被用作潤滑脂極壓抗磨添加劑有所報(bào)道.薛艷等將碳酸鈣和硫代銻酸銻(SbSbS4)作為極壓抗磨劑用于航空潤滑脂中,發(fā)現(xiàn)不同添加量的納米碳酸鈉可使脲基脂的承載能力提高100~600N,燒結(jié)負(fù)荷提高400~3400N.王九等研究脲基潤滑脂中加入納米CuS,以提高脲基脂的承載能力.蔣明俊等對比考察了聚異丁烯、醋酸鈣和硫代氨基甲酸鹽對鋰鈣基脂、復(fù)合鋰基脂和復(fù)合鋰鈣基脂抗磨極壓性能的影響.聚異丁烯對潤滑脂的極壓抗磨性基本無影響,醋酸鈣和硫代氨基甲酸鹽都可提高潤滑脂的極壓抗磨性能.任天輝等制備了二乙基二硫代氨基甲酸與稀土鑭的配合物(簡稱ELaDTC),以質(zhì)量添加3%到通用鋰基脂中,在極壓抗磨試驗(yàn)中,ELaDTC表現(xiàn)出優(yōu)良的極壓性.王李波等利用油酸修飾的納米CaF2作為潤滑脂添加劑,在四球摩擦磨損試驗(yàn)中,CaF2在潤滑脂中具有良好的抗磨性和極壓性,在高載荷時具有良好的減摩性.2納米顆粒摩擦機(jī)2.1納米粒子在表面形態(tài)上的富集和強(qiáng)化摩擦過程中油相中的納米粒子受多種因素作用會向摩擦副表面遷移.因摩擦產(chǎn)生的微區(qū)高溫會引起強(qiáng)度高于體相的分子漲落,增強(qiáng)的分子漲落有利于不定向遷移,不定向遷移增加納米粒子向摩擦副表面遷移的機(jī)會;摩擦副產(chǎn)生外逸電子等使摩擦副表面的界面電場強(qiáng)化,強(qiáng)化的界面電場會產(chǎn)生強(qiáng)化的磁場,對表面吸附有強(qiáng)極性小分子的納米粒子、特別是磁性納米粒子而言,表面電磁場會增加其在摩擦副表面富集的機(jī)會;處于摩擦副近表面的納米粒子使表面含納米粒子的潤滑油膜黏度增大,載荷大時油膜會成為黏度很大的半固體膜,這種潤滑油膜或半固體膜黏度大,其與體相介質(zhì)發(fā)生物質(zhì)交換的可能性顯著減小;在這種情況下,錨固于納米粒子表面的超分散穩(wěn)定劑和少量極性小分子在反復(fù)摩擦下會發(fā)生脫附,進(jìn)而沉積在摩擦副表面.以質(zhì)軟、熔點(diǎn)低、活性高的微納米軟金屬銅潤滑材料為例,其在摩擦過程中易沉積在磨損表面形成修復(fù)膜,該修復(fù)膜形成便屬于沉積膜作用機(jī)制.2.2球形納米粒子在一定載荷范圍內(nèi)運(yùn)動軌跡中的摩擦學(xué)性能對于摩擦表面微觀不平度最大高度(Rmax)為納米級的光滑或超光滑摩擦表面,特別是當(dāng)Rmax值小于納米粒子粒徑時,潤滑油中高度彌散的球形納米粒子在一定載荷范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)摩擦副表面的滾動摩擦.要實(shí)現(xiàn)光滑或超光滑表面滾動摩擦,納米粒子的粒徑分布要窄,且分散良好;摩擦副表面要非常光滑平整,其表面粗糙度最好與納米粒子的粒徑相當(dāng);納米粒子要有足夠的剛性.對大粒徑粒子而言,在未實(shí)現(xiàn)滾動摩擦之前,大粒徑粒子因承受的壓應(yīng)力過大,會被壓入摩擦副表面;而粒徑太小的那部分粒子因無法接觸摩擦對偶,也不可能參與滾動潤滑.2.3化學(xué)加學(xué)作用機(jī)理納米微粒具有極高的擴(kuò)散能力和自擴(kuò)散能力(比體相材料高十幾個數(shù)量級),容易在金屬表面形成具有極佳抗磨性能的嵌入滲透層.尤其在高負(fù)荷條件下,納米粒子會被嵌入基體表面,形成嵌入復(fù)合表面層,納米粒子的組成元素在摩擦過程中會在摩擦熱的作用下擴(kuò)散到金屬亞表面,生成堅(jiān)固耐磨的滲透層,將金屬表面分開.其潤滑作用不再取決于添加劑中的元素是否對基體是化學(xué)活性的,而很大程度上決定于它們是否與基體組分形成嵌入擴(kuò)散層或滲透層固溶體.在嵌入擴(kuò)散或滲透作用的同時,一些活性元素也會與基體金屬發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),生成摩擦化學(xué)反應(yīng)膜.納米稀土化合物粉體材料的摩擦學(xué)作用機(jī)理就屬于摩擦化學(xué)反應(yīng)膜機(jī)理;微納米礦物粉體材料的摩擦學(xué)作用機(jī)理表現(xiàn)為嵌入滲透層/摩擦化學(xué)反應(yīng)膜機(jī)理,在機(jī)械摩擦、摩擦化學(xué)、摩擦電化學(xué)條件下,在摩擦副表面生成金屬陶瓷層.圖1所示,無微納米礦物粉體材料時,摩擦表面微觀形貌極不平整,呈現(xiàn)大面積磨損形貌[圖1(a)];在微納米礦物粉體材料作用下,摩擦表面光滑平整,存在微坑形貌的修復(fù)層[圖1(b)].以下實(shí)例也屬于摩擦反應(yīng)膜機(jī)理.摩擦過程中,金屬硫化物在潤滑脂中會發(fā)生如式(1)所示的化學(xué)反應(yīng):式中:R代表金屬,n是其化合價.生成的金屬氧化物與FeS為修復(fù)層的主要成分.任天輝等指出在摩擦過程中,添加于潤滑脂中的二乙基二硫代氨基甲酸與稀土元素鑭的配合物與金屬表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),生成含有機(jī)氮、有機(jī)硫、硫酸鹽和氧化斕等組分的復(fù)雜邊界潤滑膜.3摩擦學(xué)作用機(jī)理(1)潤滑劑中微納米潤滑材料可提高潤滑劑的極壓抗磨性,并不改變潤滑劑的理化性能、氧化安定性、機(jī)械安定性等.前文所論述的各類微納米潤滑材料均不與潤滑劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在摩擦過程中,微納米顆?？呻S潤滑劑到達(dá)摩擦副表面的任何接觸部位.微納米顆粒利用粒度、硬度、晶體結(jié)構(gòu)、理化性能等自身特點(diǎn)的不同,通過各種摩擦學(xué)作用機(jī)理,起到了提升潤滑劑邊界潤滑條件下的減摩抗磨極壓性的作用.(2)在金屬摩擦副間起減摩抗磨自修復(fù)作用.潤滑劑中微納米潤滑材料主要是以金屬材質(zhì)的摩擦副為潤滑研究對象,微納米顆?？赏ㄟ^摩擦機(jī)械作用、摩擦化學(xué)作用、摩擦電化學(xué)作用等交互作用,使微納米潤滑材料與摩擦副材料、潤滑劑之間產(chǎn)生復(fù)雜的物質(zhì)交換和能量交換,最終在磨損表面生成了1層具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫或超潤滑等特點(diǎn)的保護(hù)層,實(shí)現(xiàn)摩擦副表面材料幾何尺寸恢復(fù).(3)添加量少,成本低,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益.微