大豆油基Al2O3納米流體的懸浮穩定性及抗磨減摩性能研究*

彭銳濤，賀湘波，童佳威，唐新姿，吳艷萍

(湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411105)

0 引 言

綠色環保已經成為當今發展主題，而礦物油的大量使用對環境和人體造成許多負面影響。植物油具有環境友好、易生物降解且無毒等特點，由于植物油分子中含有酯基,其在潤滑過程中有益于減少摩擦和磨損[1]，通常被用來作為替代傳統礦物油的首選材料[2-3]。為了擴寬其應用范圍，國內外學者以植物油為基礎油,研究了多種無毒、高效的植物油添加劑[4-6]。

近年來納米科技的高速發展，材料在納米尺度下所特有的比表面積大、小尺寸效應、界面效應及量子隧道效應，使其具有不同于傳統材料的熱學、光學以及力學等性能[7]。基于這些特性，國內外學者將納米顆粒作為添加劑分散到基液中制備成納米流體能有效的提升摩擦學性能[8-10]。同時，納米顆粒由于本身的特性，使得其在基液中極易發生團聚而沉淀，極大限制了納米顆粒的應用[11-12]。納米Al2O3是一種六方密堆積的結晶材料，具有硬度高和優異的耐磨性等特點[13-14]。目前針對納米Al2O3作為添加劑對大豆油的潤濕行為和抗磨減摩特性的影響和機理還缺乏更為深入的研究。

鑒于此，首先為提高納米Al2O3在大豆油中的懸浮穩定性，本文將4種表面活性劑作為分散劑，研究Al2O3納米流體懸浮穩定性。其次，對比分析了不同質量分數的Al2O3納米流體對抗磨減摩性能和潤濕性能的影響，詳細研究了納米Al2O3的抗磨減摩機理。為改善大豆油的摩擦學表現，擴展其應用提供一定的思路和數據支持。

1 實驗設計

1.1 實驗材料與方法

本實驗選擇大豆油作為基液，所用的納米Al2O3(購于上海超威納米科技有限公司)平均粒徑為20 nm。圖1為納米Al2O3的SEM圖，可以看出其形狀為類球形。采用“兩步法”將納米Al2O3添加至大豆油中[15]，隨后將其進行磁力攪拌30 min、超聲分散1 h，以此獲取分散均勻的Al2O3納米流體。

圖1 納米Al2O3的SEM圖Fig 1 SEM diagram of nano-Al2O3

1.2 Al2O3納米流體懸浮穩定性實驗

本文考慮了SDBS，聚乙二醇600(PEG600)，十二烷基硫酸鈉(SDS)和司盤80(Span-80)4種分散劑對納米Al2O3在大豆油中懸浮穩定性的影響，其中分散劑的質量分數為1%。將無分散劑的樣品設為該實驗的對照組。將透光率作為分析指標，采用紫外可見光分光光度計(Cary 100)來對不同分散劑下的Al2O3納米流體的透光率進行全波段掃描(200～800 nm),得到其特征波長。接著，以特征波長為工作波長進行單波掃描，考察其靜置數天后的透光率變化情況，進而篩選出最佳的表面活性劑作為后續實驗所需的分散劑。以此來配置0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%(質量分數，下同)的Al2O3納米流體作為摩擦磨損實驗的潤滑介質。

1.3 摩擦磨損實驗

采用HRS-2M型高速往復摩擦試驗機開展摩擦磨損試驗，將純大豆油作為此實驗的對照組，實驗裝置的示意圖如圖2所示。上式樣為GCr15鋼球，其直徑為4 mm。下式樣為GH4169高溫合金，尺寸是40(長)×20(寬)×10(高) mm，摩擦副的接觸形式為球盤點接觸。實驗前將鋼珠和工件在無水乙醇中進行超聲清洗并烘干，實驗測試溫度為25 ℃，測試條件為：載荷90 N，往復速度600 r/min，往復距離為5 mm，實驗時間30 min。

圖2 摩擦磨損實驗圖Fig 2 Diagram of friction and wear experiment

采用探針三維輪廓儀(Nano Map 500-LS)在與摩擦滑移方向垂直面對磨痕的二維輪廓曲線進行測量，重復3次。根據式(1)[16]求得磨痕的體積磨損率K：

(1)

式中：S為橫截面積(mm2)，L為磨痕長度(mm)，F為施加載荷(N)，S為總的滑行長度(mm)。采用掃描電鏡和能譜儀(JSM-6360)對磨痕的表面形貌進行觀測并對其表面的元素進行檢測分析。同時，接觸角是評價流體潤濕能力的關鍵指標，對其鋪展性能有重大影響。通過接觸角測量儀(250-F1)測量不同質量分數的Al2O3納米流體與GH4169的接觸角，探究納米Al2O3的含量對潤濕性能的影響規律。

2 結果與討論

2.1 懸浮穩定性分析

圖3所示，添加了不同分散劑的和未添加分散劑的Al2O3納米流體透光率峰值均出現在650 nm波長左右，因此確定Al2O3納米流體的特征波長為650 nm。顯然，添加分散劑的樣品透光率均高于未添加分散劑的樣品，這說明表面活性劑能有效的促進納米Al2O3在大豆油中的分散。圖4給出了添加了不同分散劑的和未添加分散劑Al2O3納米流體在靜置一定天數后的透光率變化情況。由圖4可知，無論是否添加分散劑，Al2O3納米流體的透光率均隨著靜置天數的增加而增大。這說明納米Al2O3隨著靜置天數的增加，其聚集程度也在逐漸增大，大豆油基Al2O3納米流體體系的穩定性日益下降。其中，添加了分散劑的樣品可在一定程度上維持其穩定性。可見，四種分散劑按照懸浮穩定性效果從強到弱排序為：SDBS,Span-80,PEG600,SDS。其中SDBS對于Al2O3在大豆油中的懸浮穩定性最佳，這是因為納米Al2O3被SDBS所包覆，使得其表面形成雙電層效應，產生靜電排斥作用，有效的阻礙了納米Al2O3的團聚[17]。值得指出的是靜置15天后相比未添加分散劑的Al2O3納米流體，SDS對Al2O3納米流體的穩定性能更差，這說明了不合適的分散劑則有可能惡化納米流體的穩定性。

圖3 Al2O3納米流體的UV-vis圖Fig 3 UV-vis diagram of Al2O3 nanofluid

圖4 Al2O3納米流體的透光率隨靜置天數的變化關系Fig 4 Relation of Al2O3 nanofluid transmittance with standing days

2.2 摩擦系數

如圖5(a)所示，純大豆油相較于添加了納米Al2O3的油樣磨合期階段時間更長，并且平穩期的摩擦系數波動較大。含有納米Al2O3的油樣能更快的渡過磨合期，且平穩期的摩擦系數波動較小。說明向大豆油中添加納米Al2O3有較好的減摩效果，能提升大豆油的潤滑效果。為了定量的分析納米Al2O3的添加對摩擦系數的影響，將摩擦平穩期的平均摩擦系數進行分析，如圖5(b)所示。相較于純大豆油，納米Al2O3的添加能有效的降低摩擦系數，且摩擦系數整體呈現出隨著納米顆粒的濃度增加而先降低后增大的趨勢。2.0%Al2O3納米流體得到最低值，相較于純大豆油的平均摩擦系數下降了19.79%。這主要是因為納米Al2O3呈類球形，在摩擦接觸時，能起到類軸承的作用[18]，起到減摩作用。

圖5 不同潤滑條件的摩擦系數Fig 5 The friction coefficient of different lubricant conditions

2.3 體積磨損率

獲得的不同潤滑條件下磨痕的二維輪廓曲線如圖6所示。通過比較可知，相比于純大豆油，Al2O3納米流體有效的降低了磨痕的深度和寬度。且2.0%Al2O3納米流體的磨痕深度和寬度最小。不同潤滑條件下的體積磨損率如圖7所示，與摩擦系數有著相似的規律，2.0%Al2O3納米流體表現出最低的體積磨損率，相比于純大豆油降低了67.8%。這說明大豆油中的納米Al2O3能有效改善其抗磨效果和承載能力，從而減弱摩擦過程中的磨損。

圖6 不同潤滑條件的磨痕二維輪廓曲線Fig 6 2D profile curve of wear scar under different lubrication conditions

圖7 不同潤滑條件下的體積磨損率Fig 7 Volumetric wear rate under different lubrication conditions

2.4 潤濕性能分析

在GH4169表面對不同濃度的Al2O3納米流體的接觸角變化情況如圖8所示.結果表明，隨著納米Al2O3含量的增加，接觸角的大小呈現出先下降后上升的趨勢，在2.0%時出現最低值，這主要是因為大豆油中的納米Al2O3降低了其表面張力，從而減小了接觸角。然而，高濃度下的納米顆粒無法均勻地分散在基油中，易發生團聚，在重力的作用下失穩而沉淀，從而導致接觸角增大[19]。接觸角的變化趨勢與前面實驗結果一致，也證明了Al2O3納米流體的潤濕性能將影響其在摩擦接觸區的抗磨減摩性能表現。

圖8 接觸角隨納米流體濃度的變化規律Fig 8 The contact angle variation with concentration of Al2O3 nanofluid

2.5 磨痕的表面形貌及其作用機理分析

圖9為不同潤滑條件下磨痕的SEM圖。由圖9(a)可知，純大豆油中未添加任何潤滑劑，僅依靠自身的潤滑性能無法起到有效的抗磨作用，所以磨損較為嚴重。對比圖9(b)～(d)可見，加入納米Al2O3后使得劃痕和犁溝變淺，磨痕表面質量有所改善。如圖9(d)所示磨痕表面質量最佳，劃痕最為細膩。當納米Al2O3的含量超過2.0%時，如圖9(e)、(f)所示，磨痕表面質量逐漸下降，出現微坑。這是因為隨著納米Al2O3的含量增加，更多的納米顆粒被吸附在摩擦接觸表面，有效降低了黏著磨損從而降低了摩擦系數和磨損，保護接觸表面。但當納米Al2O3的含量大于2.0%，易發生團聚，在摩擦接觸區高溫高壓條件下，納米顆粒和摩擦產生的磨粒之間易產生復合物，進而導致三體摩擦[20]，使得磨損表面發生磨粒磨損，對Al2O3納米流體的抗磨減摩性能造成了負面影響。

圖9 不同潤滑條件下的磨痕表面形貌圖Fig 9 Surface topography of wear surface under different lubrication conditions

為進一步探究納米Al2O3的抗磨減摩機理，對工件磨損表面的光滑區域和犁溝區域的主要元素分別進行了EDS分析。2.0%的Al2O3納米流體獲得的磨損表面元素EDS能譜圖如圖10所示。由圖可知，在工件磨損表面的光滑區域和犁溝區域的均檢測到元素鋁的信號，這說明納米Al2O3填充和沉積在磨損表面。這是因為納米Al2O3在鋼珠和工件對磨的過程中因接觸面之間的摩擦而嵌入磨痕表面，起到修復凹坑的作用。圖10(a)出現了氧元素，而圖10(b)中沒有出現此類元素。說明在摩擦過程中納米流體除了通過物理吸附作用形成潤滑膜，還有可能通過氧化反應形成一層分布不均勻且不連續的氧化潤滑膜。并且所生成的氧化潤滑膜強度更高，因此能有效的保護接觸面并降低磨損。

圖10 2.0%Al2O3納米流體的磨痕表面EDS圖譜Fig 10 EDS spectra of 2.0%Al2O3 nanofluid wear surface

綜上，大豆油基Al2O3納米流體的作用機理可以用簡化的原理圖來解釋，如圖11所示，首先，納米流體在摩擦接觸區形成潤滑膜，降低粘著磨損；其次，如圖11(c)所示，納米級Al2O3較易的滲透至摩擦接觸區，有效的將滑動摩擦轉換成滾動摩擦。同時在摩擦接觸區重載荷作用下，納米顆粒在接觸表面發生沉積，起到修復表面的作用，使得磨損表面更加光滑。圖11(b)所示，通過范德華力吸附形成潤滑膜和氧化反應形成的潤滑膜，能有效的避免鋼珠與工件直接接觸，從而降低磨痕表面的磨損和摩擦系數，起到抗磨減摩效果。

圖11 納米Al2O3的抗磨減摩機理示意圖Fig 11 Schematic diagram of anti-friction and anti-wear mechanism of Nano-Al2O3

3 結 論

(1)添加分散劑能有效的將納米Al2O3在大豆油中均勻分散，但靜置一段時間后，不合適的分散劑會出現惡化其穩定性的現象。使用SDBS作為分散劑時，懸浮穩定性最佳。

(2)納米Al2O3能有效的提升大豆油的抗磨減摩性能和潤濕性能。且2.0% Al2O3納米流體表現出最佳的潤滑效果和潤濕特性，相比于純大豆油的平均摩擦系數、體積磨損率和接觸角分別下降了19.79%、67.8%和32.67%。

(3)摩擦過程中Al2O3納米流體能在摩擦接觸區通過物理吸附作用形成潤滑膜，同時局部發生氧化反應形成氧化潤滑膜。兩種潤滑膜均能有效的保護磨損表面，但氧化反應膜強度更高，抗磨效果更明顯。大豆油中的納米顆粒不僅具有類軸承作用，而且能在一定程度上修補鋼珠與工件對磨時受損的表面，起到自修復的作用。