不同維度碳納米顆粒對汽輪機油摩擦學性能的影響

沈俊杰 余 波 包建軍 連金杯 康武麗

(1.西華大學能源與動力工程學院 四川成都 610039；2.四川大學高分子研究所 四川成都 610065；3.四川碳世界科技有限公司 四川 成都 610213)

近年來，研究人員對納米顆粒在潤滑油添加劑領域的應用進行了大量研究[1]，發現納米顆粒作為潤滑油添加劑能夠改善基礎油的抗磨減摩性能。碳是人類發現的一種可以從零維到三維都穩定存在的物質[2-4]。即零維的富勒烯(以C60為代表)、一維的碳納米管(CNTs)、二維的石墨烯以及三維的金剛石和石墨。C60分子呈完美球狀，CNTs呈管狀，因而它們具有特定的自潤滑特性，有成為“分子滾珠(軸)”潤滑添加劑的潛力;石墨烯RGO呈片層狀，有“薄膜潤滑”的特性;3種材料在流體及固體潤滑體系方面都有很好的應用前景。

富勒烯(C60)是1985年KROTO等[5]發現的碳元素的第三種同素異形體。閻逢元等[6]將C60/C70分散在石蠟油中，摩擦學試驗表明，1%質量分數的C60/C70可使石蠟油極壓負荷提高3倍，摩擦因數降低1/3。IIJIMA[7]1991年首次發現碳納米管以來，碳納米管已經成為多個領域的研究熱點。在摩擦學領域，碳納米管也表現出較好的應用前景[7-12]。NOVOSELOV等[13]在2004年首次發現了石墨烯碳材料。一些研究工作也表明,石墨烯在潤滑添加劑領域存在良好的應用前景，可以改善潤滑油的潤滑性能[14-20]。

碳納米顆粒作為添加劑在潤滑油應用中最大的問題就是分子間團聚，特別是石墨烯易發生卷曲、團聚和聚沉[21-22]。本文作者為解決納米顆粒團聚問題，采用化學修飾和機械化學修飾相結合的辦法[23-25]，并在相同分散工藝下，對比不同碳納米顆粒的分散效果以及減摩抗磨效果，進而分析不同維度碳納米顆粒對汽輪機油摩擦學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

1.1.1 主要試驗材料與試劑

L-TSA-46B汽輪機油(中國石油天然氣股份有限公司潤滑油分公司生產，以下稱基礎油)；C60-98富勒烯(深圳市圖靈進化科技有限公司生產)；CNTs晶須碳納米管(江西克萊維納米碳材料有限公司生產)；SE1231石墨烯RGO(Reduced Graphene Oxide)(常州第六元素材料科技股份有限公司生產)；分散助劑(聚異丁烯丁二酰亞胺/高堿值合成磺酸鈣/Zn-DTP等)。

1.1.2 主要試驗儀器

ESJ200-4B電子天平(沈陽龍騰電子有限公司生產)；FSH-2A可調高速勻質機(常州越新儀器制造有限公司生產)；82-5數顯恒溫磁力攪拌器(上海雙捷實驗設備有限公司生產)；HYB-B潤滑油抗磨極壓試驗機(天津遠恒潔凈機械設備廠生產)；SYD-265H石油產品運動黏度測定儀(上海本杉儀器設備有限公司生產)；MRS-10A微機控制四球摩擦磨損試驗機(濟南竟成測試技術有限公司生產)；DZF-6050真空干燥箱(上海飛越試驗儀器有限公司生產)。

1.2 碳納米顆粒改性基礎油的制備

1.2.1 表面修飾的碳納米顆粒添加劑制備

將1 g聚異丁烯丁二酰亞胺、2 g高堿值合成磺酸鈣、1 g Zn-DTP加入至50 g基礎油中，置于恒溫磁力攪拌器，溫度設置30 ℃，磁力攪拌10 min；緩慢加入碳納米顆粒0.15 g(質量分數0.3%)，磁力攪拌20 min；然后置于可調高速勻質機，轉速設置12 000 rad/min，高速剪切20 min，制成潤滑油添加劑。

由C60-98、CNTs、RGO表面修飾制成的3種添加劑分別標記為T-C60、T-CNTs、T-RGO。為證明碳納米顆粒為影響試驗結果唯一變量，增加試驗組T-ML-TSA(Modified L-TSA)，表示僅添加分散助劑，未添加任何碳納米顆粒，以控制試驗唯一變量，增加試驗可靠性。

1.2.2 改性基礎油制備

按5%質量分數將表面修飾的碳納米添加劑添加到基礎油中，置于恒溫磁力攪拌器中，溫度設置為30 ℃，磁力攪拌15 min，制得碳納米顆粒質量分數為0.015%的改性基礎油油樣。3種油樣分別標記為C60-150、CNTs-150、RGO-150。其中，ML-TSA表示L-TSA中添加5%(質量分數)T-ML-TSA添加劑。

1.3 試驗設計

1.3.1 分散穩定性試驗

將不同改性基礎油油樣裝在容積為10 mL的西林瓶中，放置在同一環境下，靜置沉淀，分別在0、1月、3月的時間段拍照，觀測各油樣隨時間的分散狀態變化。

1.3.2 極壓性能測試

采用蒂姆肯法和四球機試驗相結合的方式，評價潤滑油在極壓條件下的工作狀態對最大無卡咬負荷(pB值)及噪聲的影響。

采用蒂姆肯便攜試驗機時,首先測試電機未啟動的環境噪聲，噪聲測試點距摩擦接觸點0.5 m。抬起杠桿，啟動試驗機，并怠速運轉3～5 min，保證在沒有壓力的情況下，鋼珠與打磨輪在潤滑油中充分潤滑。放下杠桿，使鋼珠與打磨輪接觸，30 s后增加第一塊砝碼(砝碼質量均為620 g)，而后每過30 s增加一塊砝碼，直到出現異常嘯叫或震動，潤滑失效。全過程記錄噪聲，記錄頻率f=1次/s。

四球機極壓測試執行GB-T3142-1982標準。4個鋼球按正四面體排列，上球以1 400 rad/min的轉速旋轉，下面3個球用油盒固定在一起，通過液壓系統由下而上對鋼球施加負荷。在試驗過程中4個鋼球的接觸點都浸沒在基礎油中。每次試驗設定時間10 s，試驗后測量油盒內任一個鋼球磨斑直徑。按規定反復試驗，直到求出代表基礎油承載能力的評定指標。

1.3.3 摩擦磨損性能測試

摩擦磨損試驗采用MRS-10A四球機，分別將適量基礎油和含C60-150、CNTs-150、RGO-150潤滑油加入油盒中，將3個干凈的鋼球裝入球盒中，將固定環壓在3個鋼球上，上緊鎖緊螺母，把3個鋼球固定在適當的位置，刮走從固定螺母壓出的多余試樣，使其與鎖緊螺母頂面相平。主軸帶動上試樣旋轉，載荷392 N，轉速1 200 rad/min，設定摩擦時間為30 min。采用四球摩擦磨損試驗機對改性基礎油進行長磨測試，通過摩擦因數對比進一步分析潤滑油摩擦學性能。

汽輪機油在機組運行中，散熱是其主要作用之一。因此，不同碳納米顆粒改性基礎油減摩抗磨的另一表征方式是溫度的變化。試驗采用MRS-10A四球機，分別將不同改性基礎油按一定量(10 mL)加入油盒中，將3個干凈的鋼球裝入球盒中，將固定環壓在3個鋼球上，上緊鎖緊螺母，把3個鋼球固定在適當的位置。通過溫控設備，將油盒初始溫度穩定在30 ℃。而后開始試驗，啟動機器，隨即關閉油盒加熱器，主軸帶動上球旋轉，載荷為392 N，轉速為1 200 rad/min，設定摩擦時間為60 min。

1.3.4 磨斑表面分析

四球機長磨試驗(30 min)結束后，將鋼球浸沒于石油醚中，超聲清洗5 min，然后用掃描電子顯微鏡(SEM)測量試樣表面的磨斑輪廓，并用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣磨損表面形貌，并根據磨斑直徑長度以及表面形貌評價其減摩抗磨性能。

2 結果與討論

2.1 碳納米顆粒的分散穩定性

表1給出了添加劑和改性基礎油在不同時間段的分散情況，可知靜止沉淀1月后，T-C60和C60-150都出現明顯聚沉，C60分散效果不佳極易出現沉淀，且沉淀物團聚成塊，搖晃后有明顯顆粒。由于富勒烯在微觀結構上呈完美球狀結構，表面不容易產生化學修飾，因此富勒烯在基礎油中溶解性較差。靜止沉淀3月后，T-CNTs和CNTs-150均出現明顯分層現象，油樣底部出現大量沉淀，但沉淀物并沒有明顯團聚成塊，搖晃后又可均勻分布。比較可見，碳納米管分散穩定性明顯優于富勒烯。但由于碳納米管具有非常高的徑向比，更容易產生團聚，因此相比碳納米管還原氧化石墨烯表現出更優異的分散穩定性，在靜止3月后依然沒有出現明顯分層或沉淀的現象。

表1 添加劑和改性基礎油在不同時間段的分散情況Table 1 Dispersion of additives and modified base oils at different periods

2.2 極壓性能

采用梯姆肯便攜試驗機和四球摩擦磨損試驗機相結合的方式，對含碳納米顆粒改性潤滑油進行最大無卡咬負荷性能測試，通過噪聲記錄及pB值進一步分析改性基礎油極壓性能。

圖1所示為梯姆肯試驗機測試不同改性基礎油極壓性能時的噪聲值，橫坐標表示添加砝碼施加的載荷。其中，橫坐標為-5 N時，表示梯姆肯便攜試驗機未啟動時測試的環境噪聲值；橫坐標為0時，表示試驗機啟動未放置砝碼時測試的噪聲值。可知，C60-150油樣潤滑時施加的載荷為12.4 N時便出現異常嘯叫、震動，油膜失效；CNTs-150油樣潤滑時施加的載荷超過68.2 N后，出現異常嘯叫；RGO-150油樣潤滑時施加的載荷超過80.6 N后，依然未出現異常嘯叫或震動。

圖2示出了四球機測試的不同碳納米顆粒改性基礎油pB值。可知，RGO-150改性基礎油最大無卡咬負荷提升最為明顯，與基礎油對比，pB值提升52.38%；C60-150由于C60分散效果較差，改性基礎油中有較大顆粒，摩擦副表面粗糙，從而對極壓潤滑性能起到了消極作用；CNTs-150提升基礎油極壓性能較為顯著，說明碳納米管分散較為均勻，“分子滾軸”在摩擦界面能較為均勻地分布，此時的摩擦以滾動摩擦為主，極壓潤滑性能提高。RGO-150在2種試驗機上都表現出優異的極壓潤滑性能，這是因為石墨烯分散均勻，本身具有良好的力學性能，摩擦副表面形成石墨烯——油膜雙潤滑層，極大提升極壓潤滑性能。

圖2 四球機測試不同碳納米顆粒改性基礎油pB值Fig 2 pB value of the base oils modified with different carbon nanoparticles by four ball machine

2.3 摩擦磨損性能

圖3所示為不同碳納米顆粒改性基礎油摩擦因數隨時間變化曲線。可知，基礎油的摩擦因數較為穩定，隨著時間變化不明顯。C60-150在試驗前期(0～5 min)，摩擦因數略低于基礎油，但運行一段時間后，摩擦因數突然升高，而后便出現異常嘯叫聲和震動，摩擦力超過警戒值，油膜失效。原因可能是富勒烯顆粒分散不均勻，導致剪切力不同，致使油膜各處壓力分布不均勻，在一定轉速和荷載下，運行一段時間后就會發生干摩擦，破壞油膜的承載能力，最終導致潤滑失效。CNTs-150試驗前期(0～15 min)摩擦因數明顯降低，納米顆粒能夠在摩擦副表面有效滾動，“分子滾珠”起作用從而降低摩擦因數；試驗中后期(15～30 min)摩擦因數升高，碳納米顆粒在摩擦副表面導致油膜各處壓力不同，油膜被破壞，形成新的摩擦副，導致摩擦因數升高。RGO-150在試驗整個過程，摩擦因數相對基礎油降低24.75%。對比C60和CNTs兩組試驗，RGO-150不僅摩擦因數降低明顯，且摩擦因數十分穩定。原因是石墨烯的片層間極易產生滑移，可有效地減小摩擦，因此吸附在摩擦表面的石墨烯起到較大的減摩作用，較好地減小摩擦因數；此外，RGO試樣有更好的分散穩定性，納米顆粒分散更加均勻，油膜各處壓力更加均勻，保護油膜不受破壞。

圖3 不同碳納米顆粒改性基礎油摩擦因數隨時間變化曲線Fig 3 Friction coefficient curves of the base oils modified by carbon nanoparticles with time

圖4所示為不同碳納米顆粒改性基礎油油溫隨時間變化曲線。由于C60-150改性基礎油在長磨試驗中運行一段時間后即導致潤滑失效，因此不做長磨溫度變化對比。由圖4可知，RGO-150溫度曲線明顯低于其他試驗組，一方面，RGO良好的減摩抗磨性能，降低摩擦因數的同時，摩擦產熱自然更低；另一方面，由于RGO試樣良好的分散性，使得RGO-150具有更好的散熱性能。

圖4 不同碳納米顆粒改性基礎油油溫隨時間變化曲線Fig 4 Oil temperature curves of the base oils modified by carbon nanoparticles with time

2.4 磨斑表面SEM 表征

磨斑直徑是潤滑油抗磨性能好壞的重要指標。圖5(a)所示為基礎油長磨試驗磨斑圖，磨斑直徑較大，為788 μm，且磨斑呈現橢圓形狀，原因是油膜各處壓力分布不均，運行一段時間后發生干摩擦，致使油膜失效，大顆粒的碎屑進入摩擦副表面，磨斑表面形成較深較明顯的犁溝。圖5(b)所示為ML-TSA試樣長磨試驗的磨斑圖，磨斑直徑630 μm，直徑比基礎油試樣略小，但依然有較明顯犁溝，減摩抗磨的效果不明顯。圖5(c)所示為CNTs-150長磨試驗磨斑圖，磨斑直徑556 μm，比基礎油試驗組減小29.4%，磨斑表面出現犁溝，并有黑色沉積物。圖5(d)所示為RGO-150試樣長磨試驗磨斑圖，磨斑直徑404 μm，比基礎油試樣減小48.7%。RGO-150試樣磨斑較小，呈現規則圓形，且表面沒有明顯犁溝，相對較為平整。

圖5 長磨試驗后磨斑表面形貌的SEM照片Fig 5 SEM photos of the surface morphology of wear spots after long wear test (a) L-TSA;(b) ML-TSA;(c) CNTs-150;(d) RGO-150

上述研究表明,在該分散體系下，富勒烯分散性較差，分子團聚形成的巨大顆粒極易破壞摩擦副表面；碳納米管自身具有“分子滾軸”潤滑特性；石墨烯具有優異的分散穩定性，片層狀石墨烯填充摩擦界面，大大減少摩擦副表面直接接觸，并且在摩擦表面破壞后，能夠填充摩擦副表面的微劃痕從而減小摩擦因數，降低磨損。3種碳納米顆粒改性基礎油中，石墨烯改性基礎油RGO-150試樣減摩抗磨效果最好，磨斑直徑較基礎油試驗組減小48.7%，磨斑表面積減小73.7%，并且明顯改善磨斑形貌。

3 結論

(1)對比3種碳納米顆粒，氧化還原石墨烯RGO在汽輪機油中表現出更好分散性，C60和CNTs分散穩定性較差，分子間易發生團聚沉淀。

(2)石墨烯作為汽輪機油添加劑，減摩抗磨效果最好，質量分數為0.015%的石墨烯可使汽輪機油最大無卡咬負荷(pB值)提升52.38%。摩擦因數降低24.75%，磨斑直徑減少48.7%，磨斑表面積減小73.7%。