納米TiO2添加劑對低黏度潤滑油成膜性能的影響*

張 翔 劉曉玲 孫文東 郭 峰

(青島理工大學機械與汽車工程學院 山東青島 266520)

納米二氧化鈦(TiO2)粒子，是一種用途廣泛的精細無機材料，具備良好的耐磨性、耐化學腐蝕性、抗紫外線能力，對金屬材料具有修復功能，且粒徑小、顆粒分布均勻、穩定性好，以及在各基礎油中油溶性好等優異特性[1-6]。納米TiO2添加劑中不含S、Cl、P等對環境有害的元素，同時作為堿性物質，可以中和廢氣中的部分酸性物質如SOx等；在強光照射下，納米TiO2粒子可以催化尾氣中固體顆粒的分解。因此，納米TiO2若用作發動機氣缸潤滑油添加劑，可以減少尾氣中有害氣體和固體顆粒的排放，降低對環境的危害[7]。因而研究納米TiO2添加劑的油潤滑性能，對于開發多功能型潤滑油添加劑，滿足不同場合和工況條件的要求，具有重要意義。

近年來，針對納米TiO2添加劑，學者們開展了大量研究。張立等人[8]、LI等[9]、ARUMUGAM和SRIRAM[10]、程旭東[11]借助四球式摩擦磨損試驗機，研究發現一定質量分數的納米TiO2添加劑能夠顯著提高潤滑油的抗磨減摩性能。BINU等[12]發現將納米TiO2粒子添加到軸承潤滑油中，在提升潤滑油減摩抗磨性能的同時，軸承的承載能力也有較大的提高。梁超等人[13]在基礎油中加入不同配比的SiO2/TiO2納米粒子，摩擦磨損實驗表明：與單一納米添加劑相比，復合納米SiO2/TiO2添加劑在基礎油中表現出更優的摩擦學性能。谷科城等[14]通過超聲反應制備了疏水性納米TiO2(簡稱SA-TiO2)，并對其摩擦學性能進行了研究，發現納米微粒在鋼球摩擦表面形成了一層含菜籽油和SA-TiO2的吸附膜，并在摩擦剪切作用下發生摩擦化學反應生成了一層含鈦、鐵氧化物的邊界潤滑膜，這種邊界潤滑膜起到了良好的潤滑作用。錢建華等[15]利用四球摩擦磨損試驗機研究了經硬脂酸修飾的納米TiO2添加劑潤滑油的作用機制，通過對摩擦副表面磨痕的微觀分析，證明了納米TiO2粒子能夠填補摩擦表面凹痕并形成潤滑保護膜。侯獻軍等[16]對Al2O3/TiO2納米粒子的摩擦學性能進行了研究，發現摩擦磨損試驗后金屬接觸副表面上生成了由Fe氧化物和Al2O3/TiO2納米粒子組成的復合邊界膜，起到了良好的抗磨減摩作用。但上述文獻并未對納米TiO2添加劑的潤滑成膜性能展開研究。

綜上所述，目前關于納米TiO2添加劑的抗磨減摩性能及其作用機制已有系統而深入的研究，但針對其對潤滑油潤滑成膜性能的研究尚不多見。因此，本文作者選用低黏度的聚α烯烴(PAO8、PAO10)和聚醚(PAG)作為基礎油，利用四球式摩擦磨損試驗機研究不同質量分數納米TiO2對于基礎油摩擦磨損性能的影響，并在點接觸光彈流潤滑試驗臺上進行潤滑成膜實驗，研究納米TiO2最佳質量分數下對3種低黏度基礎油潤滑成膜性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 油樣制備及分析

選用2種類型的低黏度基礎油，一種是非極性的聚α烯烴-PAO8、PAO10基礎油，另一種是極性的聚醚-PAG基礎油。選擇的納米TiO2添加劑粒徑為30～50 nm，純度為99.9%，由徐州捷創新材料科技有限公司生產。

試驗測得納米TiO2在PAO8、PAO10、PAG 3種基礎油中的最佳添加量分別為0.3%、0.3%、0.05%(均為質量分數)。按納米TiO2最佳添加量制備3種納米TiO2潤滑油，采用模塊化智能型高級流變儀EC-Twist 502測量3種基礎油和3種納米TiO2潤滑油在23 ℃溫度下的動力黏度，如表1所示。可見，PAO8與PAO10雖均為非極性油，但其黏度不同；而PAO10與PAG雖分別為非極性油與極性油，但其黏度接近。在添加一定質量分數納米TiO2后，3種基礎油的黏度均有增加。

表1 不同潤滑油23 ℃下的黏度

1.2 摩擦磨損試驗

利用四球式摩擦磨損試驗機，分析納米TiO2在3種低黏度基礎油中的摩擦磨損性能。摩擦副為四球接觸，其中上方的鋼球由主軸帶動旋轉，下方的3個鋼球固定在油盒中。鋼球為GCr15軸承鋼，直徑為12.7 mm，硬度為60 HRC。試驗工況為：溫度23 ℃，載荷30 N，轉速1 200 r/min，時間1 800 s，供油量12 mL(可完全覆蓋球面)。

試驗開始前需要用石油醚清洗鋼球，再使用無水乙醇清洗鋼球表面的石油醚，然后將鋼球用氮氣吹干。試驗結束后重復同樣的操作，通過四球機油盒專用顯微鏡測量鋼球表面的磨斑直徑，選取3個鋼球磨斑直徑的平均值作為鋼球的磨斑直徑，每組試驗重復3次后取平均值。

1.3 潤滑成膜性能試驗

利用實驗室自主搭建的球盤點接觸光彈流潤滑試驗臺，分析3種納米TiO2潤滑油的潤滑成膜性能。摩擦副接觸方式為球盤接觸，其中球在下方，盤在上方。試驗鋼球為G5級，直徑為25.4 mm。盤為一面鍍分光鉻膜的玻璃盤，直徑為150 mm，厚度為15 mm。試驗前將油樣通過針管或者微量取液器均勻地涂布在玻璃盤上，試驗開始時，通過加載裝置施加載荷到預設值，驅動系統帶動玻璃盤轉動，通過圖像采集系統采集干涉圖像，最后利用干涉圖像重構出潤滑油膜形狀，進而直接反映出潤滑油的相關特性。

2 結果與討論

2.1 納米TiO2摩擦磨損性能實驗

圖1所示為不同質量分數的納米TiO2對PAO8、PAG和PAO10基礎油摩擦因數的影響。可以看出，隨著納米TiO2質量分數的增加，3種基礎油的摩擦因數均呈現先減小后增大的趨勢。與PAO8、PAG和PAO10基礎油的摩擦因數相比，當納米TiO2質量分數分別為0.3%、0.05%和0.3%時對應的摩擦因數最低，摩擦因數分別降低了約54.5%、13.8%和52.4%。而當納米TiO2質量分數進一步增加時，與純基礎油相比摩擦因數反而增加。

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圖1 納米TiO2質量分數對基礎油摩擦因數的影響

圖2所示為不同質量分數TiO2對PAO8、PAG和PAO10基礎油磨斑直徑的影響。可以看出，隨著TiO2質量分數的增加，3種基礎油的磨斑直徑均呈現先減小后增大的趨勢，與圖1摩擦因數變化趨勢一致。對應的最佳TiO2質量分數分別為0.3%、0.05%以及0.3%。與PAO8、PAG和PAO10基礎油相比，添加最佳TiO2質量分數的潤滑油潤滑下磨斑直徑分別降低了約10.4%、7.7%和10.3%。

圖2 納米TiO2質量分數對基礎油磨斑直徑的影響

為了進一步分析基礎油在添加納米TiO2前后，鋼球表面的磨損機制。圖3給出了純基礎油PAO8和添加0.3%納米TiO2的潤滑油潤滑下在30 N載荷、1 200 r/min轉速下，試樣鋼球表面的磨痕形貌。可知，純基礎油潤滑下的鋼球表面較為粗糙，磨斑直徑相對較大，約為360 μm；磨損表面有大量的犁溝，擦傷程度較為嚴重。而添加0.3%納米TiO2潤滑油潤滑下的鋼球表面相對平滑，磨斑直徑減小，約為340 μm；磨損表面的犁溝數量減少，擦傷程度得到一定的緩解。原因在于，潤滑油中少量的納米TiO2粒子可以填補在磨痕處，對磨痕表面起到了修復的作用[17]；同時納米TiO2能夠在摩擦副表面生成一層吸附膜[18]，吸附膜的存在改善了接觸副間的潤滑條件，從而有效地降低了摩擦因數和磨斑直徑。而當TiO2質量分數繼續增加時，與純基礎油相比，摩擦因數和磨斑直徑反而出現增大的現象，這是因為隨著TiO2質量分數的增加，納米粒子團聚作用越明顯導致的。說明基礎油中添加一定質量分數的納米TiO2可以起到很好的減摩抗磨作用。

圖3 鋼球表面磨斑處的SEM形貌

通過對比添加劑對摩擦因數和磨斑直徑的影響，可以得出，納米TiO2對PAO8基礎油的抗磨減摩性能的提升更優于PAG和PAO10基礎油。分析認為，與PAG和PAO10基礎油相比，PAO8基礎油的黏度更低，低黏度可以帶來較小的摩擦和磨損。而在黏度相近的情況下，因為試驗所選用的納米TiO2粒子是非極性的，而基礎油PAO10也是非極性的，根據相似相溶原理，納米TiO2在PAO10中的溶解性更優于PAG，因此表現出的抗磨減摩性能也更好。綜上所述，納米TiO2對PAO8基礎油的抗磨減摩性能的提升最明顯，PAO10次之，最后為PAG基礎油。

2.2 納米TiO2潤滑成膜性能試驗

為了探究納米TiO2添加劑對PAO8、PAG和PAO10基礎油潤滑成膜能力的影響，設定載荷為30 N，充分供油(約10 μL)，卷吸速度從100 mm/s增大到800 mm/s，研究3種基礎油在添加最佳質量分數納米TiO2前后，最小膜厚隨卷吸速度的變化。

圖4給出了6種潤滑油的油膜光干涉情況隨卷吸速度的變化規律。可以看出，當卷吸速度較小時，接觸區內未呈現出明顯的彈流潤滑現象，油膜形狀與干接觸時類似；而隨著卷吸速度的增大，潤滑油膜的馬蹄形特征開始出現并逐漸明顯；PAO8、PAG和PAO10基礎油在分別添加納米TiO2添加劑后，油膜光干涉圖的級次有明顯增加，表明加入一定質量分數納米TiO2后，潤滑油的油膜厚度增加，潤滑成膜性能增強。

圖5所示為載荷30 N、充分供油條件下，PAO8、PAG和PAO10基礎油及其添加最佳質量分數納米TiO2潤滑劑的最小膜厚隨卷吸速度的變化曲線。x為沿著卷吸速度方向，y為垂直于卷吸速度方向，定義膜厚方向沿著y=0截面(如圖4(a)中所示)。可知，隨著卷吸速度的增加，不同潤滑劑對應的最小膜厚逐漸增加；在相同的卷吸速度下，與純基礎油的最小膜厚相比，添加一定質量分數納米TiO2后最小膜厚明顯增加。說明添加適量的納米TiO2粒子有利于提高潤滑油的成膜性能。

圖5 不同潤滑油的最小膜厚隨卷吸速度的變化

分析認為，在基礎油中加入一定質量分數的納米TiO2粒子后，潤滑油黏度增大(見表1)，引起油膜厚度增加；同時納米TiO2能夠在摩擦副表面吸附沉淀，生成一層穩定的吸附膜[19]，吸附膜的存在改善了接觸副間的潤滑條件，使得潤滑油更易進入接觸區，從而導致油膜厚度增大。

同時，為了探討其他影響納米TiO2粒子潤滑油成膜性能的因素，研究了基礎油為PAO8時，不同的納米粒子添加量和載荷對潤滑油最小膜厚的影響。

圖6所示為載荷30 N、轉速400 mm/s、充分供油條件下，納米TiO2質量分數對潤滑油最小膜厚的影響。

圖6 納米TiO2質量分數對最小膜厚的影響

由圖6可以看出，隨著納米TiO2粒子質量分數的增加，潤滑油的最小膜厚也逐漸增加。原因有兩點，一是添加量的增加會引起潤滑油黏度的增加，從而導致最小膜厚的增加；二是隨著TiO2添加量的增多，更多的納米粒子進入到接觸區，提高了接觸區內潤滑油的成膜能力，因此潤滑油的最小膜厚也隨之增加。然而第二點原因僅僅只是理論猜想，暫時還沒有試驗觀察到接觸區內納米粒子實際分布情況，添加量的增多是否表明有更多的納米粒子進入到接觸區，有待后續試驗進一步驗證。

表2所示為納米TiO2粒子質量分數為0.3%、充分供油條件下，載荷對潤滑油最小膜厚的影響。可知，當納米粒子質量分數一定時，載荷越小，最小膜厚增加越明顯。這與無添加劑時，膜厚隨載荷的變化規律一致。

表2 載荷對最小膜厚的影響(400 mm/s)

3 結論

(1)在基礎油中加入一定質量分數的納米TiO2添加劑能夠明顯提高潤滑油的抗磨減摩性能，當PAO8、PAG和PAO10中分別加入0.3%、0.05%和0.3%質量分數的TiO2時，摩擦因數和磨斑直徑均最小。綜合比較摩擦因數和磨斑直徑，納米TiO2在PAO8基礎油中表現出較好的抗磨減摩性能，摩擦因數減小了約54.5%，磨斑直徑降低了約10.4%，鋼球表面擦傷程度得以緩解。

(2)隨著卷吸速度的增加，潤滑油的最小膜厚逐漸增加；相同卷吸速度下，與純基礎油相比，添加一定質量分數納米TiO2添加劑的最小膜厚明顯增加。隨著納米TiO2粒子添加量的增加，最小膜厚增加，表明納米TiO2的加入可以提高潤滑油的潤滑成膜性能。