納米粒子添加劑在潤滑油中的摩擦性能研究綜述

宋真玉，馬亞乾，李 南

(長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064)

納米科學與技術(nano science and technology)是指在納米尺度(1～100 nm)上研究物質組成體系的運動規律和相互作用，以及在應用中實現特有功能和智能作用的多學科交叉的科學和技術;納米材料是指分散相尺寸有一維＜100 nm的復合材料，具有普通材料不具備的諸多特殊物理、化學性質。近20 a來，國內外學者對納米微粒作為添加劑加入潤滑油后對潤滑油性能的影響做了大量的研究工作，結果表明加入納米粒子后潤滑油在抗氧化性、低溫流動性、剪切穩定性及抗磨減磨性等方面都有了顯著的提高［1]。

目前，國內外對納米粒子添加劑摩擦學特性的研究大多還僅限于單一種類微粒，對于多種粒子共同表現出的特性研究的還不多。本文分析研究分別將不同類別(單質、氧化物、金屬化合物)的納米粒子以不同體積分數加入潤滑油中時納米粒子添加劑對潤滑油的影響。

1 納米粒子添加劑的制備

1.1 金屬單質納米添加劑

試驗制備的是粒徑 10 ～100 nm 的銅(Cu)粒子、鎳(Ni)粒子［2－4]。

Cu納米粒子的制備方法主要有:氣相蒸發法、機械化學法、等離子體法、γ－射線輻射法、液相還原法等。由于多數制備方法需要繁多的設備和冗雜的工藝方法，所以本實驗采用液相還原法。液相還原法采用還原劑HCHO和氫氧化銅溶液反應制取Cu粒子，方程式為

目前，Ni粒子常采用微波化學法和超臨界流體法制備，其特點是在溶液中加入還原劑將Ni2+還原成為Ni單質，反應式為

也可以在Ni2+溶液中加入還原劑制得納米級別的Ni粒子，反應方程式為

1.2 金屬化合物納米添加劑

主要介紹硼酸銅和二硫化鎢(WS2)粒子的制備方法［5－6]。

1)硼酸銅。試驗用微乳法制取硼酸銅。使用的表面活性劑為TritonX－100，助表面活性劑為正己醇，并用環己烷作為油相來配置反相微乳液，制取硼酸銅納米粒子，步驟見圖1。

圖1 硼酸銅制取過程

2)二硫化鎢。利用高能球磨機先制備得到前驅體WO3，然后將適量研磨均勻的S粉和前驅體一塊加入特制的試管爐中，加熱至一定溫度并在反應過程中不斷通入H2，冷卻后得到WS2納米粒子。反應方程式為

1.3 氧化物納米添加劑

說明二氧化鈦(TiO2)和二氧化硅(SiO2)的制備方法［7－9]。

1)TiO2。試驗用TiO2納米粒子采用水熱法制取，原料有硫酸鈦和尿素。其基本原理是在硫酸鈦溶液中加入適量的尿素攪拌至完全溶解，將此溶液放入含有四氯乙烯的反應釜中，經過濾、洗滌、干燥，最后得到白色TiO2粉末，主要反應式為

2)SiO2。SiO2納米粒子的制備是以正硅酸乙酯(TEOS)為原料。在室溫條件下，向氨水(NH4OH)中加入適量的無水乙醇，然后加入正硅酸乙酯(TEOS)，充分攪拌，反應12 h，最后經過離心沉淀可得粒徑符合試驗要求的SiO2粒子。

2 潤滑油中納米添加劑的摩擦特性

在潤滑油中加入不同體積分數的不同納米粒子，按照文獻［10]的規定，在往復式摩擦磨損機上測試試驗鋼球間的摩擦系數和鋼球的磨損量等，分析不同納米粒子對潤滑油摩擦特性的影響。

2.1 金屬單質納米添加劑

在基礎油(F4008)中加入適量分散劑，分別加入粒徑為20～30 nm不同體積分數的Cu粒子與粒徑為20 nm不同體積分數的Ni粒子，然后調定載荷為392 N，在往復式摩擦磨損機上進行摩擦試驗，試驗結果如圖2～5所示。

圖2 摩擦系數與納米Cu粒子的體積分數的關系

圖3 磨損量與納米Cu粒子的體積分數的關系

圖2 ，3表明:在納米Cu粒子的體積分數為0.5%時，摩擦系數最小為0.022;納米Cu粒子的體積分數為0.4%時，磨損量最小為6.5 mg。這說明基礎油中Cu納米粒子添加劑的體積分數為0.4% ～0.6%時為最佳，當體積分數過高或過低都會相應地增大摩擦系數和磨損量［11－12]。

圖4 摩擦系數與納米Ni粒子的體積分數的關系

圖5 磨損量與納米Ni粒子的體積分數的關系

圖4 ，5表明:當納米Ni粒子添加劑的體積分數約為1%時，摩擦系數和磨損量都為最小，減小或者增加其體積分數都會使摩擦系數和磨損量相應增加。

2.2 金屬化合物納米添加劑

圖6為基礎油中加入納米硼酸銅粒子與純基礎油的摩擦實驗結果對比。在基礎油(F4008)中加入適量分散劑，分別加入不同體積分數的納米硼酸銅粒子，摩擦試驗結果如圖7所示。基礎油的最大無卡咬負荷PB=537 N(在文獻［13]試驗要求的條件下，不發生卡咬的最大負荷)。

圖6 基礎油與加入硼酸銅的潤滑油抗磨性比較

圖7 最大無卡咬負荷和硼酸銅的體積分數的關系

由圖6可知:當基礎油中加入納米硼酸銅粒子時，其抗磨性能較基礎油有所提高，且隨著時間的增加提高幅度增大［14]。由圖7可知，當納米硼酸銅粒子的體積分數約為1%時，潤滑油的最大無卡咬負荷提高到約775 N，潤滑油的抗磨性最好。

在基礎油中加入表面活性劑Span－80和分散劑并攪拌均勻，加入不同體積分數的納米WS2粒子，負荷為245 N，經過30 min的摩擦試驗，試驗結果如圖8，9所示。

圖8 最大無卡咬負荷值和WS2的體積分數的關系

圖9 磨斑直徑和WS2的體積分數的關系

由圖8可知，隨著WS2納米粒子的體積分數的增加，潤滑油的最大無卡咬負荷逐漸提高，并且體積分數為2%時，最大無卡咬負荷達到最大值約830 N，基礎油的抗磨性最好，之后隨著WS2納米粒子的體積分數的增加，最大無卡咬負荷反而下降。由圖9可知，隨著基礎油中WS2的體積分數的增加，磨斑直徑總體呈下降趨勢［15]。

2.3 氧化物納米添加劑

在基礎油CA20中加入適量的分散劑，分別加入不同體積分數的TiO2納米粒子，載荷為290 N，磨斑直徑隨基礎油中TiO2的體積分數的變化曲線如圖10所示。基礎油與添加TiO2納米粒子的潤滑油在負荷變化時的摩擦試驗結果對照如圖11所示。

圖10 磨斑直徑與TiO2的體積分數的關系

圖11 基礎油與加入TiO2納米粒子潤滑油的抗磨性比較

圖10 表明，隨著TiO2納米粒子的體積分數的增加，磨斑直徑不斷減小，當其體積分數為0.3%時抗磨性能最好，繼續增加TiO2的體積分數，磨斑直徑反而增加;圖11表明，當基礎油中加入TiO2納米粒子時，其抗磨性能較基礎油有所提高，在約320 N時磨斑直徑最小，這之后磨斑直徑迅速增大，并且在基礎油中加入體積分數為0.3%的TiO2納米粒子后其抗磨性明顯提高［16]。

同理，將不同體積分數的SiO2納米粒子加入500SN基礎油中，加熱攪拌均勻使其充分混合，用四球摩擦磨損機試驗，載荷設置為392 N，經過30 min后，試驗結果如圖12，13所示。

圖12 最大無卡咬負荷隨SiO2的體積分數的變化關系

圖13 磨斑直徑隨SiO2的體積分數的變化關系

圖12 表明，潤滑油的最大無卡咬負荷隨著基礎油中SiO2納米粒子的體積分數的增加而提高，當SiO2納米粒子的體積分數達到2%時最大無卡咬負荷達到最大值，而最大無卡咬負荷到達峰值后慢慢下降;圖13表明，隨著SiO2的體積分數的增加，磨斑直徑逐漸減小，到2%時磨斑直徑最小［17]。

3 結論與建議

1)納米粒子作為一種特殊的固體潤滑劑可以明顯提高潤滑油的極壓性、承載能力，還能夠明顯提高潤滑油的抗磨減摩性能。其摩擦學性能的提高與納米粒子的大小、種類、結構、添加量等密切相關。

2)由于納米粒子加入基礎油時必須要加入相應的分散劑才能使納米粒子在基礎油中混合均勻，而目前納米粒子的分散性和穩定性問題還沒有得到圓滿的解決，且目前所用的分散劑對溫度很敏感，所以今后應多注重此方面的研究。

3)目前，國內外對于多種納米粒子添加劑同時加入基礎油的混合研究還不多，今后應該更加注重此方面的研究。

［1]楊宏偉，胡役芹，杜占合.綠色潤滑油的發展［J].合成潤滑材料，2008，35(3):15 －17.

［2]范啟義，凌國平，廁仔劍.化學鍍銅法制備納米Cu－Al20:復合分題的研究［J].材料科學與工藝，2005，10(4):357－361.

［3]Anne Duteil.Gunter，Shmid and Wolfgang Meter Zaika［J].Chem Soe Chem Commun，1995，3(l):31 － 32.

［4]Paskevicius M，Webb J，Pitt M P，et al.Mechanochemical Synthesis of Aluminum Nanoparticles and Their Deuterium Sorption Properties to 2 Kba［J].Alloys and Compounds，2009，481:595 －599.

［5]閔麗麗.納米潤滑油添加劑的合成及其摩擦性能的研究［D].長春:吉林大學，2010.

［6]李長生.WS2納米顆粒的合成及摩擦學性能研究［J].無機化學學報，2008，24(2):275－279.

［7]張建.介孔TiO2的水熱法制備及其光催化性能研究［D].南京:南京理工大學，2006.

［8]Tang Peisong，Hong Zhanglian，Zhou Shifeng，et al.Preparation of Nanosized TiO2Catalyst with High Photocatalytic Activity under Visible Light Irradiation by Hydrothermal Method［J].Chinese Journal of Catalysis，2004，25(12):925 －927.

［9]霍玉秋，閆玉濤，劉曉霞，等.單分散納米SiO2的制備及其作為潤滑油添加劑的摩擦學性能研究［J].摩擦學學報，2005，25(1):34－38.

［10]石油化工科學研究院.SH/T0189—92 潤滑油抗磨損性能測定法(四球機法)［S].北京:中國標準出版社，1992.

［11]王鵬.納米金屬粒子潤滑油添加劑的研究［D].大連:大連海事大學，2009.

［12]Wang Qingning，Si Baoli，Yu Shurong.Study of Effect of Blended Surfactants on Dispersing Stability of Copper Nanoparticles in Lubricating Oil［J].China Surfactant Detergent＆ Cosmetics，2008，38(4):219 －222.

［13]石油化工科學研究院.GB/T 12583—1998 潤滑劑極壓性能測定法(四球法)［S].北京:中國標準出版社，1999.

［14]胡澤善，王立光，黃令，等.納米硼酸銅顆粒的制備及其用作潤滑油添加劑的摩擦學性能［J].摩擦學學報，2000，20(4):292－294.

［15]張俐麗.WS2納米棒的制備及作為潤滑油添加劑的摩擦學性能［D].杭州:浙江大學，2006.

［16]孫昂，嚴立，朱新河，等.表面修飾納米TiO2的表征及改善潤滑油摩擦性能［J].大連海事大學學報，2008，29(3):25－28.

［17]Tarasov S，Kolubaev A，Belyaev S，et al.Study of Friction Reduction by Nanocopper Additives to Mot or Oil［J].Wear，2002，25(2):63 －69.