納米潤滑油添加劑潤滑機制的研究進展

孫雙秋 ， 孫圣迪 ， 張延波 ， 王瑞鑫 ， 楊曉怡 ， 陳志峰

（1.河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054000；2.河北省中小型非標裝備技術創新中心，河北 邢臺 054000；3.河北省閥門智能裝備工程研究中心，河北 邢臺 054000；4.河北中煤四處礦山工程有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引言

軸承是機械設備中一種重要的零部件，被廣泛應用于航空、礦山、農業等行業的設備中。軸承的潤滑可以減少軸承內部摩擦以及磨損，延長其使用壽命，同時排除摩擦熱，防止軸承過熱。目前，軸承的潤滑方法分為脂潤滑和油潤滑。

隨著納米技術的迅速發展，納米顆粒作為一種環保型材料，具有體積小、比面積大等特點，在摩擦潤滑方面有很好的應用前景。試驗研究表明，在軸承副的潤滑油中添加SiO2納米顆粒可以有效地延長滾動軸承的使用壽命[1]；將納米顆粒均勻分散添加到潤滑油中，可以更有效地提高潤滑性能，起到抗磨減摩的效果[2]；零維到三維的納米顆粒均具有良好的抗磨減摩性能[3]；化學合成的納米顆粒相比機械球磨顆粒具有更好的抗磨減摩效果[4]。但由于摩擦過程比較復雜，針對納米顆粒作為添加劑的抗磨減摩機制尚不明確。目前，對納米顆粒摩擦學性能的研究表明，其主要有填充作用、成膜特性、滾珠效應以及拋光作用四種潤滑機制。但是，由于宏觀試驗無法完整地觀察到摩擦的整個過程，導致現有的納米顆粒潤滑機制多數處于猜想階段。

計算機仿真技術可以輔助試驗研究，驗證納米顆粒在摩擦過程中的潤滑機制。目前針對納米顆粒摩擦潤滑機制研究的仿真方法主要有分子動力學法和有限元分析法。分子動力學法主要研究單個分子的運動，可以探究現象的本質以及各個分子的運動規律，尤其可以對理論分析以及試驗觀察中難以理解的現象作出解釋[5]。有限元分析法主要是建立在接觸力學和彈塑性力學基礎之上的一種計算方法。

1 填充作用

現有的研究表明，納米顆粒作為添加劑在摩擦過程中會起到填充作用，提高潤滑油的抗磨減摩性能，主要表現為顆粒沉積到帶有粗糙度的摩擦表面，對表面凹坑和磨痕起到修復作用。

馬劍奇等[6]采用四球摩擦磨損試驗機研究了油溶性Cu 納米粒子作為CD15W/40 柴油機油添加劑的摩擦學性能。試驗研究表明，在最佳納米Cu 微粒含量條件下，Cu 納米微粒作為添加劑明顯改善了潤滑油的摩擦學性能。試驗通過采用SEM、EDS和XPS分析得出，摩擦過程中形成的磨斑表面存在Cu元素，并且和基礎潤滑油相比，添加納米Cu 微粒的摩擦表面磨斑尺寸顯著減小。由此可以得出，納米顆粒的潤滑機制是納米Cu添加劑在摩擦過程中沉積到了磨損表面，改善了摩擦表面的表面質量，起到了填充作用。李寶良等[7]采用MRH-3 高速環塊摩擦磨損試驗機研究了Cu、Al、Al2O3以及MgO 納米微粒的摩擦學性能。試驗研究表明，在壓力作用下直徑比較小的納米顆粒會進入到粗糙摩擦表面的犁溝內起到填充作用。

宏觀的試驗研究僅僅是通過試驗儀器對摩擦表面形成的磨斑的表面元素種類進行了分析，初步判定了納米顆粒的潤滑機制是填充作用。計算機仿真分析可以更有效地驗證試驗結論。胡成志[8]采用分子動力學方法研究了納米顆粒作為流體添加劑在非平面下的滑動摩擦過程。試驗研究表明，非平表面的納米流體的剪切應力低于基礎流體，表現出了減摩的效果，這主要是由于納米顆粒起到了填充的作用，修復了摩擦表面，從而降低了摩擦阻力。Ji 等[9]同樣采用分子動力學方法對納米顆粒的作用機理進行了研究。研究表明，納米顆粒作為添加劑在摩擦過程中會發生吸附、團聚和填充作用，如圖1 所示。通過在摩擦表面構建三個型腔來表征表面的粗糙度，納米顆粒在摩擦過程中會填充到凹坑中，起到填充作用。

圖1 納米顆粒吸附、團聚和填充過程

李云凱等[10]采用有限元分析法對水潤滑軸承摩擦學性能進行了分析，探究了水膜承載能力和減摩性能的優化情況，并進行了機理分析。研究表明，流體動壓潤滑效應的形成，使得水膜具有更優的承載能力和減摩性能。有限元分析僅適用于宏觀接觸力學和彈塑性力學方面的研究，無法深入到納米層級對單個分子的運動規律作出解釋。

2 成膜特性

納米顆粒作為添加劑在摩擦過程中會發生物理和化學變化，主要表現為軟質納米顆粒在重載情況下發生變形以及低熔點納米顆粒在高溫情況下發生化學反應。研究表明，納米顆粒在摩擦過程中會在摩擦表面形成一種保護膜，起到提高潤滑油抗磨減摩性能的作用。徐建林等[11]采用CFT-1 型材料性能測試儀對納米銻顆粒進行了潤滑摩擦學性能的研究。研究表明，納米銻在磨痕表面形成了表面膜，保護了摩擦表面，展現出良好的抗磨減摩效果。通過磨斑表面的SEM 照片可以觀察到摩擦表面上有一層不連續的潤滑膜，這主要是由于納米粒子在高溫接觸區很容易和摩擦表面發生作用，從而形成潤滑膜保護層。

徐楠等[12]采用UMT-2 摩擦學試驗機對納米碳酸鈣作為潤滑脂添加劑的摩擦學性能及流變行為進行了研究。研究表明，碳酸鈣納米粒子在摩擦過程中受到摩擦副的擠壓，發生了物理變形，并在接觸區形成了潤滑膜。通過XPS 圖譜可知，磨斑表面的潤滑膜成分仍為碳酸鈣。由此可知，納米顆粒僅通過物理變形也會在摩擦區域形成潤滑膜，起到抗磨減摩的效果。Peng 等[13]對SiO2納米顆粒作為液體石蠟添加劑的摩擦學性能進行了研究。AFM 顯示了嵌入摩擦表面而沉積的SiO2納米顆粒，這些鑲嵌的納米顆粒在摩擦表面形成邊界潤滑膜，阻止了兩個摩擦表面的直接接觸，如圖2 所示。

圖2 鋼球磨損表面的AFM顯微照片

彭潤玲等[14]通過仿真分析觀察到在重載情況下，Cu 納米顆粒發生團聚，并且吸附到摩擦表面，形成了保護膜。Hu 等[15]在邊界潤滑條件下研究了納米Cu 顆粒的潤滑機理。研究表明，在一定載荷下，Cu納米顆粒在摩擦過程中會發生變形，如圖3 所示。Cu納米顆粒在剪切力的作用下鋪展在摩擦表面，從而形成了一層固體的潤滑膜。由于分子動力學仿真計算量有限，分子間的相互作用力比較復雜，通過分子動力學方法研究納米顆粒和摩擦表面化學潤滑膜的形成比較困難。

圖3 不同時刻摩擦狀態及Cu 納米顆粒的變形過程

3 滾珠效應

硬質納米顆粒作為潤滑油添加劑在重載摩擦環境下不會發生變形，但同樣可以起到抗磨減摩的效果。因此，不少學者推測納米顆粒在摩擦過程中起到了滾珠效應，變滑動摩擦為滾動摩擦。李寶良等[7]在研究幾種納米顆粒作為添加劑時的摩擦特性時指出，Al2O3納米顆粒由于其硬度較大，在添加潤滑脂后，摩擦因數和摩擦力均減小。由此推斷出，Al2O3納米顆粒起到了滾珠軸承的作用，將滑動摩擦轉變為滾動摩擦，起到了抗磨減摩的效果。但是試驗研究中，并未觀察到納米顆粒的滾動現象。

分子動力學仿真分析可以很好地驗證試驗研究。He 等[16]通過分子動力學的方法研究分析了納米顆粒在摩擦表面間的運動情況，研究表明納米顆粒在摩擦過程中存在滾動運動。Ji 等[9]在研究中發現，SiO2納米顆粒在摩擦過程中存在滾動摩擦，但是在整個的摩擦過程中納米顆粒也伴隨著滑動摩擦，如圖4 所示。因此可以得出，納米顆粒作為添加劑在摩擦過程中存在滾珠效應，同時滑動和滾動摩擦在整個摩擦過程中均存在，但是對于滾珠效應出現的條件還不是很清楚。

圖4 滑動摩擦過程中納米顆粒的滾動過程

4 拋光作用

在摩擦過程中，硬質納米顆粒會對非平面的摩擦表面進行微處理，使得摩擦表面的粗糙度降低，從而達到提高抗磨減摩效果的目的。Sia 等[17]通過磨斑的SEM 圖像觀察到SiO2納米顆粒拋光的摩擦表面。試驗數據表明，由于納米顆粒的拋光作用導致摩擦過程中的摩擦溫度降低，由此也可以說明摩擦表面的粗糙度降低，摩擦表面變得平整。

Zhao 等[18]采用分子動力學方法證實了納米粒子在摩擦過程中的拋光作用。Hu 等[19]研究了硬質納米顆粒對摩擦表面形貌的影響。研究表明，納米金剛石和SiO2納米顆粒在摩擦過程中會改變摩擦表面的表面形貌，對摩擦表面起到拋光作用，如圖5 所示。但是納米顆粒會發生團聚現象，團聚后的納米顆粒會對摩擦副起到支撐作用，同時粒徑也會增大[14]。大粒徑的納米顆粒會改變摩擦表面的表面形貌，在摩擦表面形成犁溝，從而增大摩擦表面的粗糙度[20]，如圖6所示。因此，保證納米顆粒在潤滑介質中的分散穩定性顯得尤為重要。

圖5 納米金剛石和SiO2納米顆粒對Fe塊表面著色的形貌變化

圖6 大粒徑納米顆粒對摩擦表面的影響

5 結論與建議

目前的研究結果表明，納米粒子作為潤滑油添加劑在摩擦過程中表現出明顯的抗磨減摩性能。通過試驗研究和仿真分析，明確了納米顆粒在摩擦過程中的填充作用、成膜特性、滾珠效應和拋光作用四種潤滑機制。分子動力學仿真可以研究單個分子的運動、探究現象的本質，有助于對納米顆粒添加劑作用機理的更深度研究。

但是目前的研究工作僅僅是一個開端，還有許多問題需要研究解決。首先，分子動力學計算方法的計算量有限，需要不斷優化新的算法。其次，試驗研究和納米層級仿真在關聯性方面有待提高，有限元分析法和分子動力學法耦合計算的研究是一個重要方向。再次，納米顆粒在摩擦過程中存在滾動摩擦和滑動摩擦，目前對滾動摩擦出現的條件還不清楚。最后，納米顆粒在潤滑油中會發生團聚，不利于提高抗磨減摩性能，保證納米顆粒在潤滑油中的分散穩定性是當務之急。