纳米润滑油添加剂

０引言 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳 米尺度范围内，或由纳米基本单元构成的材料…．由 于纳米材料具有界面与表面效应、量子尺寸效应、小 尺寸效应和宏观量子隧道效应，赋予了其不同于传统 材料的各种独特性能，使其具备了特殊的光学、热学、 磁学、力学以及化学方面的特殊性能，从而使它在光 吸收、光电转换、传热、磁记录、催化、燃料、涂料等方
面具有重要的应用价值和广阔的开发前景．
长期计划。“．由于纳米材料具有比表面积大、高扩散 性、易烧结性、熔点低、硬度大等特性。所以将纳米粒 子作为添加剂应用于润滑油中，会以不同于传统添加 剂的作用方式起到减摩抗磨效果．这种新型润滑材料 不但可以在摩擦表面形成一层易剪切的薄膜降低摩 擦因数，而且还能对摩擦表面进行一定程度的填补和 修复，起到自修复作用一１．因此，纳米润滑油添加剂具 有突出的抗极压性能和优异的抗磨性，较好的润滑性 能，适合在重载、低速、高温下工作．应用纳米材料添 加剂，对摩擦后期摩擦因数的降低可起到决定性作 用，解决了常规载荷添加剂无法解决的问题． 论文总结和探讨纳米材料在润滑油中的分散稳 定性及应用现状、纳米添加剂的润滑机理，并对纳米 润滑材料的发展方向提出建议．
纳米润滑油添加剂的作用机理 纳米润滑材料作为添加剂具有明显的减摩抗磨
ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ
ａＦｅ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｔｈｅｆｕｔｕｒｅ
ｏｆ ｒｆｆｔｌｔｏ－
ａｄｄｉｔｉｖｅｓ ｉｎ ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ
ｐｕｔ
ｆｏｒｗａｒｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏｐｈａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ａｄｄｉｔｉｖｅ；ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ ｐｅｇｒｏｒｍａｎｃｅ；ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
作者简介：朱光耀（１９８１・）。男，硕士生．研究方向：摩擦学和轮机修造．
３０第二期２００９年技术篇
万方数据
剂。且把吐温－２０、吐温－６０、司班－２０和聚醚按质量比２ １纳米材料在润滑体系中的应用 １．１纳米润滑添加剂的分类。４０ 目前用作润滑添加剂研究的纳米材料归纳起来 主要有以下几类： １）纳米金属单质粉体 纳米金属单质粉体主要包括纳米铜、纳米铅、纳 米锡、纳米锌等． ２）纳米碳材料及其衍生物 此类粉体中以富勒烯Ｃ∞、纳米金刚石、纳米石 墨、碳纳米管最具代表性． ３）纳米氧化物 此类添加剂包括如Ｆｅ，０．、ＰｂＯ、ＴｉＯ：等纳米粒
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ
ＺＨＵ Ｇｕａｎｇ—ｙａｏ，ＺＨＵ
ＮＭ ｏｉｌ ｄｏｐｅ ａｄｄｉｔｉｖｅ
Ｇｕｉ－ｊｕｎ
Ｇｕａｎ－ｊｕｎ，ＧＵ
Ｃａｉ－ｘｉａｎｇ，ＬＩ Ｗｅｉ，ＴＩＡＮ Ｘｉａｏ・ｙｕ，ＪＩ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｍｈａｎｔ Ｍａｒｉｎｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１３５。ｃｈｉｎａ）
ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓ・
ｎａｎｏａｄｄｉｔｉｖｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏ－ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｐｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｎａｎｏａｄｄｈｉｖｅｓ ｉｎ ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ ｉｓ
ｔｅｃｔ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ啦‘ｏｆ ｔｈｅ
ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｎｄ
子．
：２：１：１的比例搅拌均匀，使含ＣｅＯ：和ＣａＣＯ，纳米粒 子混合液的分散性和稳定性得到显著的提高．研究还 发现聚醚可大大提高混合液的稳定性．张淑霞等‘”研 究了ＴｉＯ：的无机包覆，在ＴｉＯ：表面包覆一层保护膜， 使之与周围介质之间形成一道屏障，从而降低ＴｉＯ： 的光化学活性，有利于提高ＴｉＯ，的分散性、耐候性、 抗粉化性．当然，选择表面活性剂不仅要考虑其油溶 分散性，还要考虑表面活性剂解吸后在油中要有良好 的摩擦学性能．目前采用的表面修饰剂主要有：二烷 基二硫代磷酸（ＤＤＰ），烷基磷酸醋，硬脂酸，油酸， ＥＨＡ和含Ｎ有机化合物等‘”． １．３纳米添加剂的摩擦学行为研究 从２０世纪８０年代至今。中外的科研人员对纳米 材料在摩擦学上的应用进行了大量的研究工作，下面 介绍从抗磨减摩性能和极压性能两个方面的进展． １．３．１摩擦性能
随着纳米技术的持续进展，纳米材料的研究和应 用范围也在不断扩大．纳米润滑材料作为有望率先得 到大规模应用的品种之一，得到了世界各国的高度关 注．如美国的“国家纳米技术计划（ＮＮＩ）”中将设计和 制造能进行自修复的纳米材料作为可能取得突破的
收稿日期：２００８一１０－１４
基金项目：上海市教委科研项目（０６Ｆ７啪８）；上海市教委重点学科建设项目（Ｊ５０６０３）
技术篇２００９年第二期
３１
万方数据
李庆柱等。１川将粒径为２０－３０ｈｍ的Ｌａ：Ｏ，粒子加 入到５００ＳＮ的基础油中．使润滑油具有优异的极压性 能．当添加的粒子质量分数为０．８％时，Ｐ。值提高了 ４０．８％．郭志光等Ｈ４。的研究表明有机钼及其复合纳 米润滑添加剂对于钢／钢摩擦副具有优异的抗磨减摩 作用，并具有良好的抗极压性能．用Ｎ６８ＭＥ添加剂 时，其Ｐ。值达到１２５０Ｎ，经过２ｈ后摩擦副的磨损量 几乎为０．张志梅等”纠将粒径为２０－３０ｎｍ的铜或锡加 人到ＱＤ３０润滑油中，润滑油的极压性能有所提高， 如把纳米铜与纳米锡一起加入，润滑油的极压性能提 高更加显著．董凌等Ｈ刮在给定的试验条件下，合成的 ＳｉＯ：／ＭｇＯ复合纳米粒子添加剂具有优良的极压抗磨 减摩性，其添加量在５００ＳＮ基础油中有一最佳值．当 添加质量分数大于１０％时。四球试验后钢球的磨斑 直径最小，Ｐ。值最高．
纳米润滑油添加剂的应用现状与展望
朱光耀，
朱冠军， 顾彩香，
李
伟，
田晓禹，
吉桂军
（上海海事大学商船学院，上海２００１３５）
摘要：纳米颗粒作为润滑油添加荆，因其具有优异的减摩、抗磨性能表现出了广阔的应用 前景．介绍了纳米添加剂在润滑油中的分散稳定性方面的研究进展，综述了纳米添加剂在润滑 油中的应用和在环保中的作用，探讨了纳米润滑油添加剂的抗磨减摩机理，展望了未来纳米添 加剂的发展前景． 关键词：纳米材料；添加剂；摩擦学性能；摩擦机理 中图分类号：ＴＥ６２６．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—８３５４（２００９）０２４３０３０－０４
Ｂａｔｔｅｚ等。圳将ＣｕＯ，Ｚｒ０２和ＺｎＯ纳
米微粒分别添加到ｐｏｌｙａｌｐｈａｏｌｅｆｉｎ（ｐａ０６）中，并研究 其摩擦学性能，发现质量分数为０．５％的ＺｒＯ：和ＺｎＯ 润滑油表现出最好的摩擦学行为，展现出最高的抗磨 减摩价值．而含氧化铜粒子的纳米润滑油，当质量分 数为２％时表现出最好的协同效应和最低的摩擦效 果．赵修臣等‘”。在四球机上考察了添加不同体积分 数的Ｓｎ纳米粒子润滑油的摩擦学性能，以添加纳米 Ｓｎ粒子的润滑油进行摩擦试验时，当添加的体积分 数在０．０２５％－１．５％之间时，对应的磨斑直径和摩擦 力均低于基础油的磨斑直径和摩擦力，尤其当添加体 积分数为０．１％的纳米Ｓｎ粉时，磨斑直径和平均摩 擦力均达到最小值；其中，摩擦力为２．３６Ｎ，比基础油 的摩擦力降低了１６．６４％，而磨斑直径为０．４７ｔｕｒｎ，比 基础油摩擦时的磨斑直径降低了３８．４％．刘仁德 等¨刈的研究结果说明，经过表面改性的纳米铜粒子 能够有效地改善基础油的摩擦学性能．在２６。白油中， 当纳米铜添加剂的质量分数为５．Ｏ％时，其磨斑直径 值最小，为基础油的７６．６％；添加剂含量减少时，磨 斑直径值略有增加，但均小于基础油的磨斑直径，说 明纳米铜有良好的抗磨能力．陈爽等“引把油酸修饰 ＰｂＳ纳米粒子作为润滑油添加剂，可以明显提高基础 油的减wenku.baidu.com能力，而且摩擦因数随着负荷的增大略有减 小趋势，当负荷为３００Ｎ时，可以使基础油摩擦因数降 低３３％，而纯液体石蜡润滑下，不同的负荷时摩擦因 数基本保持不变． １．３．２极压性能
Ａ．Ｈｅｍｆｉｎｄｅｚ
４）纳米硫化物 此类添加剂包括如ＭｏＳ：、ＺｎＳ等纳米粒子． ５）纳米硼系化合物 此类添加剂包括如硼酸钙、硼酸镁、硼酸钛、硼酸 铜等． ６）纳米稀土化合物 纳米稀土化合物包括ＬａＦ，、ＣｅＦ，等纳米粒子． ７）高分子纳米微球 高分子纳米微球主要包括聚苯乙烯（Ｐｓ）纳米微 球、具有核－壳结构的聚苯乙烯／聚甲基丙烯酸甲酯 （Ｐｓ／ＰＭＭＡ）纳米微球等． １．２纳米润滑添加剂的分散稳定性研究 无机纳米粒子油溶性差。一般是靠分散剂的作用 或借助强力搅拌、超声分散将纳米粒子分散在基础油 中．但是由于纳米粒子具有比表面积大、表面能高、表 面活性大、吸附作用强的特点、有强烈的不稳定性，因 此纳米材料在润滑油中的分散及稳定成为限制其在 润滑油添加剂中应用的主要问题之一．研究人员采用 了多种方法消除纳米粒子的团聚现象，并取得了一定 的进展． 科研人员采用钦偶联剂对纳米金刚石粉和石墨 进行改性处理，能够得到表面具有亲油单分子膜的纳 米颗粒用作润滑油添加刺．研究表明，纳米微粒的表 面改性能显著改善其在润滑油中的悬浮稳定性，表面 改性的纳米微粒和多功能复合润滑油添加剂复配体 系具有优异的抗磨减摩性和很高的承载能力１５ Ｊ． 采用乳状液合成后相转移法，使制备的纳米粒子 从水相转到油相，是解决纳米粒子在润滑油中的分散 稳定性问题的途径之一．上海海事大学顾彩香等一３选 择吐温－２０，吐温－６０，司班・２０和聚醚作为表面活性
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎａｒｗｐａｒｔｉｃｌｅｓ
ｗｅａｒ
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ｍｅｄ珊ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｆ１７，ｔｈｅ ｌｕｂｒｉｅａｎｔｓ
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ａｎｔｉ－ｆｒｉｃｔｉｏｎ＆ａｎｔｉ－
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄ ｈａｖｅ
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ｆｕｔｕｒｅ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
２
化合物，提高石墨在摩擦表面的附着力而形成复合 膜；胡泽善等‘驯认为硼酸铜颗粒在摩擦表面发生摩 擦化学反应，生成了由Ｂ：Ｏ，及ＦｅＢ等组成的表面保 护膜．这种情况可以理解为纳米颗粒在摩擦作用、摩 擦化学作用和摩擦电化学作用下，摩擦副与润滑材料 之间产生能量交换和物质交换，从而在摩擦表面上形 成保护膜，起到抗磨减摩作用；刘维民嵋¨认为由于在 摩擦过程中形成了纳米颗粒沉积膜以及由润滑剂活 性元素同金属摩擦副表面相互作用生成的摩擦化学 反应膜，二者组成复合边界润滑膜，从而有效地提高 润滑剂的摩擦学性能． ２．３修复作用理论 这种理论认为由于纳米粒子粒径小。在压应力的 作用下易于沉积于磨损表面微观缺陷区域．从而对磨 损表面起到修复作用．（１）如ＣｕＳ纳米颗粒一引等极细 的纳米颗粒可以填充在工作表面的微坑和损伤部位； （２）郭延宝等圳人提出如果摩擦磨损的零件某项指 标能够反映其新旧程度。并且在添加修复剂后其旧态 指标向新态指标转变，那么就可判定修复剂有自修复 效果．卓洪等圳在这个观点下做了以下实验：利用高 精度液压式往复试验机研究了纳米羟基磷酸钙、纳米 二氧化钛、纳米氮化钛三种纳米添加剂润滑条件下 ＧＣｒｌＳ／４５钢对摩时的摩擦磨损性能，通过扫描电子 显微镜和ＥＤＸ能谱对磨斑进行了微观分析．并得到 了如下的结论．ａ．纳米润滑添加剂可以降低摩擦副摩 擦因数和材料磨损量，表现出优良的抗磨损性能．ｂ． 三种纳米添加剂具有不同的自修复机制．其中，纳米 羟基磷酸钙和纳米二氧化钦的修复机制主要为铺展 成膜自修复，而纳米氮化钛为铺展成膜自修复和原位 摩擦化学自修复并存；ｃ．纳米氮化钛的自修复效果最 佳，纳米二氧化钛的自修复性能最差． ３纳米润滑油添加剂在环保方面的作用 金属纳米添加剂对于环境保护的作用体现在它 所具有的如下优点：当存在化学腐蚀气氛、油中有害 杂质或酸性蒸汽时，金属纳米微粒形成的摩擦表面膜 还起到一个隔绝保护的作用．金属微粒良好的导热性 可保证高速运动时摩擦热的快速散发，摩擦界面不会 产生过热．纳米金属微粒膨胀系数与摩擦副材料接 近，使得摩擦零件不会由于温度升高而导致公差显著 变化．金属添加剂一般不含重金属，因此润滑油的排 放物不会带来环境污染． ＣａＣＯ，纳米粒子作为金属清净剂，能够在金属表 面吸附，溶解极性物质及固体污染物质，并将它们有