王煥敏,張治軍

(河南大學(xué)特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南開封 475004）

硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

王煥敏,張治軍

(河南大學(xué)特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南開封 475004）

綜述了國(guó)內(nèi)外硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的研究現(xiàn)狀,介紹了針對(duì)其合成和作用機(jī)制研究的進(jìn)展,并對(duì)其前景進(jìn)行了展望.指出硼酸鹽已成為近年來綠色潤(rùn)滑油添加劑研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一,有機(jī)硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑克服了無機(jī)硼酸鹽分散穩(wěn)定性差的弱點(diǎn),代表了綜合性能優(yōu)良的硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的發(fā)展方向.

硼酸鹽;潤(rùn)滑油添加劑;研究現(xiàn)狀;進(jìn)展

Abstract:A review is provided of the current status of research on borate lubricant additives at home and abroad.The research progress about synthesis and action mechanism of borate lubricant additives are briefed,and prospects are proposed concerning the development of borate lubricant additives in future.It is pointed out that borate has become a hot spot in the research field of green lubricant additives.Particularly,organic borates as lubricating oil additives have no shortcomings like poor dispersion stability of conventional inorganic borates,representing the development directions of novel borate lubricant additives with excellent comprehensive properties.

Keywords:borate;lubricant additives;current status of research;progress

隨著現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備向高速、高載荷、高溫度等方向的發(fā)展,設(shè)備的潤(rùn)滑狀況變得越來越苛刻;此時(shí)潤(rùn)滑油膜已經(jīng)難以承擔(dān)全部載荷,相當(dāng)一部分載荷要由摩擦表面直接承擔(dān),設(shè)備常常處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài).相應(yīng)地,必須引入新型高性能潤(rùn)滑油添加劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%)來改善其使用性能[1].遺憾的是,傳統(tǒng)的抗磨減摩添加劑大多含有S、P、Cl等元素,并依靠這些活性元素與摩擦副反應(yīng)生成熔點(diǎn)高、摩擦系數(shù)低的摩擦反應(yīng)膜來達(dá)到減摩抗磨作用;而這些添加劑不僅在制備和使用過程中對(duì)環(huán)境造成污染,而且其所含的活性元素可導(dǎo)致汽車尾氣減排所用的三元催化劑中毒[2].近年來,隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益加強(qiáng),對(duì)環(huán)境友好型潤(rùn)滑油及其添加劑的要求越來越迫切[3].得益于納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,新型潤(rùn)滑油添加劑的研制開發(fā)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,納米潤(rùn)滑材料作為全新的潤(rùn)滑材料體系業(yè)已顯示出優(yōu)越和獨(dú)特的性能.由于納米材料比表面積大、擴(kuò)散能力強(qiáng)、熔點(diǎn)較低,以納米材料為基礎(chǔ)制備的新型潤(rùn)滑材料在摩擦學(xué)系統(tǒng)中將以不同于傳統(tǒng)添加劑的作用方式而有效地起到減摩抗磨作用[4-6].其中硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑具有良好的極壓、抗磨及減摩性能(尤其在低運(yùn)動(dòng)黏度下的極壓抗磨性能更好),優(yōu)良的熱氧化穩(wěn)定性能、防腐蝕性能、密封適應(yīng)性,而且無毒無味,有一定的生物降解性等特點(diǎn),而被廣泛用于齒輪潤(rùn)滑,表現(xiàn)出了巨大的節(jié)能降耗和環(huán)境保護(hù)潛力[7-10].以下就硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行綜述.

1 硼元素及其自潤(rùn)滑化合物簡(jiǎn)介

硼在自然界中大多以礦物質(zhì)形式存在,其中部分含硼化合物作為工業(yè)添加劑被用于抗氧化、抗菌或防霉.在摩擦學(xué)領(lǐng)域,硼的化合物,如碳化硼、氮化硼、過渡金屬硼化物(如 TiB2)和硼酸等,很早就以塊狀和薄膜形式用于減輕摩擦和防止磨損.碳化硼(boron carbide)具有高硬度、高耐磨性及較大的中子吸收截面,被廣泛用作耐磨材料、抗沖擊硬質(zhì)材料.氮化硼(boron nitride)是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體,具有四種不同的變體:六方氮化硼(HBN)、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纖鋅礦氮化硼(WBN).其中立方氮化硼在常溫下的潤(rùn)滑性能較差,常與氟化石墨、石墨及二硫化鉬混合用作高溫潤(rùn)滑劑.六方氮化硼具有類似石墨的層狀晶體結(jié)構(gòu),又被稱為“白色石墨”,常被用作固體潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂的添加劑[11].在高溫、高壓下,六方晶型的氮化硼可以轉(zhuǎn)化為立方晶型的氮化硼.

近年來,硼酸的摩擦學(xué)應(yīng)用也逐漸受到關(guān)注.硼酸具有和六方氮化硼相似的層狀結(jié)構(gòu),為白色粉末狀結(jié)晶或三斜軸面鱗片狀結(jié)晶,有滑膩手感,有解理性,在潮濕的環(huán)境中有極好的潤(rùn)滑性.此外,其他多種含硼化合物(如有機(jī)硼化物、硼酸酯等)也被用作金屬加工液或潤(rùn)滑油的添加劑[12].

2 納米硼酸鹽添加劑的合成進(jìn)展

硼酸鹽添加劑的極壓和抗磨性能研究始于20世紀(jì)60年代初.繼1964年首次報(bào)道了硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑合成后,70年代末出現(xiàn)了硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的工業(yè)產(chǎn)品(如Cheveron公司的OLOA-9705齒輪油添加劑)[13].

2.1 無機(jī)納米硼酸鹽的合成工藝

硼酸鹽包括無機(jī)硼酸鹽和有機(jī)硼酸鹽兩大類.常用的制備無機(jī)硼酸鹽極壓抗磨添加劑的方法有研磨法和復(fù)分解法[14].

2.1.1 研磨法

利用研磨法,將不含結(jié)晶水或含一定數(shù)量結(jié)晶水的硼酸鹽按一定比例與基礎(chǔ)油混合,在引入分散劑的條件下于研缽中研磨或球磨罐中滾磨,或經(jīng)振動(dòng)磨振磨或膠體磨碾磨,可以很方便地制備硼酸鹽-油分散體系.其缺點(diǎn)是較難獲得粒度較小的硼酸鹽分散體系.

柳學(xué)全等[15]利用長(zhǎng)時(shí)球磨方法制備了氟硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑,發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)添加劑的減摩性能最佳;而在高載荷下氟硼酸鹽納米微粒的抗磨性能更佳.

劉維民等[16]采用球磨罐滾磨的方法制備了硼酸鉀潤(rùn)滑油添加劑,發(fā)現(xiàn)該添加劑與基礎(chǔ)油混合后可以在摩擦副表面形成一層含硼酸鉀的表面膜,從而表現(xiàn)出較好的抗磨性能;當(dāng)硼酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),磨損最低.

2.1.2 復(fù)分解法

利用復(fù)分解法,將B(OH)3、NaOH或Na2CO3分別溶于水中,然后使B(OH)3水溶液與NaOH水溶液或Na2CO3水溶液反應(yīng),將所得產(chǎn)物在含分散劑的油中乳化,最后經(jīng)升溫脫水即可制得硼酸鹽-油分散體.利用這種方法制得的硼酸鹽-油分散體粒度較小、穩(wěn)定性好,但脫水操作難度較大;同時(shí)硼酸鹽在脫水過程中容易凝結(jié)析出,導(dǎo)致穩(wěn)定性降低.

研究表明,分散于油中的硼酸鹽顆粒粒徑通常應(yīng)小于0.5μm,最大不超過1μm,否則很難形成穩(wěn)定的固-油分散體系,也就不能進(jìn)入摩擦界面有效地發(fā)揮潤(rùn)滑抗磨作用[13].正因?yàn)槿绱?商品硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑大多需要同分散劑,如石油磺酸鹽或丁二酰亞胺等混合使用,以保證硼酸鹽微粒均勻穩(wěn)定地懸浮在油中,并抑制硼酸鹽遇水結(jié)晶析出.但這種分散體系的穩(wěn)定性往往較差,使用及儲(chǔ)存時(shí)易產(chǎn)生沉淀,影響無機(jī)硼酸鹽添加劑功能的正常發(fā)揮[17];而且當(dāng)體系中存在水時(shí),硼酸鹽添加劑會(huì)發(fā)生水解而降低功效,甚至結(jié)晶析出.

為了抑制硼酸鹽潤(rùn)滑劑顆粒間的團(tuán)聚,制備粒徑較小的添加劑,需要對(duì)其表面進(jìn)行修飾,以改善其耐水性或水解穩(wěn)定性.

2.1.3 超聲波乳化法

超聲波乳化法是利用強(qiáng)超聲波作用使液體中的不溶固體(或其他液體)粉碎成微粒并與周圍液體充分混合形成乳化液的技術(shù).微乳液通常由表面活性劑、助表面活性劑、溶劑和水組成.利用微乳液能精確控制納米材料的粒徑和穩(wěn)定性,限制納米粒子的成核、生長(zhǎng)、聚結(jié)、團(tuán)聚等過程,形成的納米粒子包裹有一層表面活性劑,并具有一定的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu).

喬玉林等[10]采用超聲波乳化分散和微乳液反應(yīng)制備了硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑,發(fā)現(xiàn)這種添加劑有良好的極壓和抗磨減摩性能.當(dāng)潤(rùn)滑油中元素B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí),鋼球磨斑直徑最小,最大無卡咬負(fù)荷(pB值)最高;基礎(chǔ)油的黏度和含水量對(duì)添加劑的極壓抗磨性能有較大的影響.他們[18]還采用超聲波分散乳化方法,利用中性微乳液反應(yīng)制備了表面修飾硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑,發(fā)現(xiàn)促進(jìn)劑和脫水溫度是制備表面修飾硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的關(guān)鍵因素.此外,他們[19]采用超聲波乳化分散方法在微乳液中反應(yīng)制備了球狀無定型納微米硼酸鹽添加劑,發(fā)現(xiàn)其在摩擦副表面形成復(fù)雜的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜,表現(xiàn)出優(yōu)良的抗磨減摩性能;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),磨斑直徑最小,減摩性能最優(yōu).

2.1.4 原位合成法

利用原位合成法,在一定條件下通過化學(xué)反應(yīng)在基體內(nèi)原位生成一種或幾種增強(qiáng)相(如 TiB2、Al2O3、TiC等),可達(dá)到強(qiáng)化顆粒性質(zhì)的目的.利用這種方法可得到顆粒尺寸細(xì)小、熱力學(xué)性能穩(wěn)定、界面無污染、結(jié)合強(qiáng)度高的復(fù)合材料.

田玉梅等[20]采用原位修飾的方法制備了以油酸為修飾劑的疏水型納米硼酸鋅顆粒,發(fā)現(xiàn)其可以明顯降低基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù).

2.1.5 超臨界流體干燥法

超臨界流體是一種溫度和壓力處于臨界點(diǎn)以上的無氣液相界面區(qū)別而兼有氣體性質(zhì)和液體性質(zhì)的物質(zhì)相態(tài).超臨界流體具有特殊的溶解度,易調(diào)變的密度,較低的黏度和較高的傳質(zhì)速率,作為溶劑和干燥介質(zhì)有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)用價(jià)值.根據(jù)所用介質(zhì)的不同,一般可將超臨界流體干燥技術(shù)分為高溫超臨界有機(jī)溶劑干燥、低溫超臨界CO2干燥、低溫超臨界CO2萃取干燥等.超臨界流體干燥技術(shù)可有效克服使凝膠粒子聚集的表面張力效應(yīng),所制得的氣凝膠粉體常常由超細(xì)粒子組成.

葉毅等[21]采用二氧化碳超臨界干燥法制備了納米硼酸鑭、納米硼酸鈰、納米硼酸鎳粒子,并測(cè)定了其用作潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)其可提高基礎(chǔ)油的抗磨及承載能力,表現(xiàn)出獨(dú)特的摩擦學(xué)特性.胡澤善等[22]用改性的二氧化碳超臨界干燥法制備了納米硼酸銅,發(fā)現(xiàn)其可提高基礎(chǔ)油的抗磨及承載能力,但使摩擦系數(shù)增大.

董浚修等[8,23-24]采用乙醇超臨界流體干燥法制備了納米硼酸鋅、納米硼酸鈦、納米硼酸鎂,發(fā)現(xiàn)其可增強(qiáng)基礎(chǔ)油的抗磨損和承載能力,降低摩擦系數(shù).

2.1.6 直接沉淀法

直接沉淀法是制備超細(xì)微粒廣泛采用的一種方法.其原理是在金屬鹽溶液中加入沉淀劑,在一定條件下生成沉淀析出,沉淀經(jīng)洗滌、熱分解等處理工藝后得到超細(xì)產(chǎn)物.直接沉淀法操作簡(jiǎn)單易行,對(duì)設(shè)備技術(shù)要求不高,不易引入雜質(zhì),產(chǎn)品純度很高,有良好的化學(xué)計(jì)量性,成本較低.缺點(diǎn)是原溶液中的陰離子較難洗滌清除,得到的粒子粒經(jīng)分布較寬、分散性較差.

鄭云慧等[25]采用直接沉淀法,以磷酸酯作為修飾劑,制備了一維、二維硼酸銅納米顆粒.他們發(fā)現(xiàn)在不同的合成溫度下,一維、二維結(jié)構(gòu)通過熱致晶體生長(zhǎng)過程可以發(fā)生轉(zhuǎn)化.二維硼酸銅納米顆粒呈疏水性,可降低基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù).他們[26]還采用直接沉淀法,以磷酸酯作為修飾劑,制備了疏水型納米硼酸鋅晶須.陳婷等[27]通過改進(jìn)直接沉淀法制備得到了納米硼酸鋅.

李強(qiáng)等[28]采用沉淀法合成了油酸表面修飾的硼酸鋅納米粒子,發(fā)現(xiàn)其粒徑均勻,并能在潤(rùn)滑油中均勻分散.在基礎(chǔ)油中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的油酸表面修飾硼酸鋅納米粒子就能起到良好的減摩抗磨效果,并降低摩擦接觸表面溫度.

2.1.7 水熱法

利用水熱法,在特制的密閉反應(yīng)容器(高壓釜)里,采用水溶液或其他液體作為反應(yīng)介質(zhì),通過對(duì)反應(yīng)容器加熱獲得高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境,可以使通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶,從而實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng).水熱法具有尺寸可控,溫度低及工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).

左傳鳳[29]利用水熱法,以硼酸和氧化鈣為起始原料,合成了多種硼酸鈣,如 2CaO·B2O3·H2O、2CaO·B2O3·1.5H2O等;Yamnova[30]等用水熱法合成了新的硼酸鈣晶體Ca[B5O8(OH)]·H2O,并對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.藤吉加一等[31]以硼酸或硼砂及氫氧化鎂、碳酸鎂或氧化鎂為原料,利用水熱法成功地合成了長(zhǎng)徑比為30～100的堿式硼酸鎂纖維;將堿式硼酸鎂高溫脫水重排,得到了硼酸鎂長(zhǎng)纖維.

隨著納米技術(shù)的發(fā)展,納米硼酸鹽的制備方法日益豐富和完善.而納米硼酸鹽,如堿土金屬硼酸鹽的摩擦學(xué)性能尤為突出,其中納米硼酸鎂、硼酸鈦、硼酸鈣具有很好的摩擦學(xué)應(yīng)用前景.

2.2 有機(jī)納米硼酸鹽的合成方法

通過利用化學(xué)反應(yīng)在硼酸根的結(jié)構(gòu)單元中引入烷基,可以制得油溶性的有機(jī)硼酸鹽.以結(jié)構(gòu)單元中含有4個(gè)羥基和8個(gè)水分子的硼酸鈉原料,可制備有機(jī)硼酸銅[32]:

反應(yīng)(1)、(2)、(3)分別為復(fù)分解反應(yīng)、酯化反應(yīng)、酯交換反應(yīng);式中:R1OH、R2OH分別為正丁醇和環(huán)己醇.產(chǎn)物CuB4O5(OR2)4的結(jié)構(gòu)式為:

李芬芳等[32-36]用烷氧基取代其中的羥基,制備了多種烷氧基硼酸鹽(環(huán)己氧基硼酸銅,烷氧基硼酸鈣,十二烷氧基硼酸鋅,烷氧基硼酸鈰,十二烷氧基硼酸鑭),并評(píng)價(jià)了其摩擦學(xué)性能.她們發(fā)現(xiàn),有機(jī)硼酸鹽不僅具有優(yōu)良的承載能力和抗磨減摩性能,而且還能在不加分散劑的情況下很好地溶于潤(rùn)滑油中,克服了無機(jī)硼酸鹽分散穩(wěn)定性差的弱點(diǎn).其原因在于,非活性元素抗磨添加劑在摩擦過程中形成滲透層并對(duì)摩擦副接觸表面實(shí)現(xiàn)原位摩擦化學(xué)改性,且稀土元素在化學(xué)熱處理中對(duì)硼、碳、氮等元素具有催滲作用.相應(yīng)的油溶性稀土硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑既具有良好的摩擦學(xué)性能,又能在不加分散劑的情況下很好地溶于油中,代表了綜合性能優(yōu)良的硼酸鹽潤(rùn)滑添加劑的發(fā)展方向.

3 納米硼酸鹽作為潤(rùn)滑油添加劑的作用機(jī)制

硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能,適用于齒輪油、拖拉機(jī)液壓油、潤(rùn)滑脂、金屬切削油、金屬成型潤(rùn)滑劑和發(fā)動(dòng)機(jī)油.然而,由于摩擦學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性(如接觸面積、接觸壓力、摩擦熱導(dǎo)致的溫度升高等隨時(shí)發(fā)生變化),同時(shí)由于含硼化合物本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,對(duì)硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的極壓抗磨作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)依然存在爭(zhēng)議[37-39].目前,就含硼化合物潤(rùn)滑油添加劑的作用機(jī)制而言,主要存在沉積成膜和滲硼兩種觀點(diǎn).

3.1 沉積成膜

有人提出了非犧牲性膜假說,認(rèn)為硼酸鹽在摩擦表面生成下列幾種固體反應(yīng)物膜:①硼酸鹽聚合為大分子膜沉積在摩擦表面而起抗磨作用;②硼酸鹽分解為兩種或兩種以上的產(chǎn)物,部分或全部產(chǎn)物沉積在金屬表面成為潤(rùn)滑膜;③添加劑分子在摩擦表面異構(gòu)化成新物質(zhì)而表現(xiàn)出抗磨作用.Adams等[40]針對(duì)含 P、N、Zn和S等的硼酸鹽添加劑進(jìn)行了研究,認(rèn)為硼酸鹽添加劑以膠體形態(tài)分散于潤(rùn)滑油中,而摩擦可產(chǎn)生電荷,故硼酸鹽微粒通過電泳運(yùn)動(dòng)而在摩擦磨損表面形成在400℃下依然穩(wěn)定的非晶的或無定形的沉積膜,從而起減摩抗磨作用.劉維民等[41]利用X射線光電子能譜(XPS)分析了硼酸鹽添加劑在磨損表面的化學(xué)狀態(tài),發(fā)現(xiàn)磨損表面B1S的電子結(jié)合能與硼酸鹽中元素B的電子結(jié)合能接近:而氬離子濺射后磨損表面在193 eV(B2O3)及188 eV(FeB)處無B1S譜峰.據(jù)此他們認(rèn)為,含硼酸鹽添加劑的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的磨損表面未生成B2O3和FeB等物質(zhì),表明硼酸鹽添加劑在摩擦過程中未發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),而是通過物理沉積成膜起到減摩抗磨作用.

也有部分國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為,含硼潤(rùn)滑油添加劑中的活性B元素可與摩擦副表面發(fā)生復(fù)雜的摩擦化學(xué)反應(yīng),形成由FeB、Fe2B、BN等組成的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜,從而起抗磨減摩作用.如胡澤善等[24,42]利用XPS研究了含硼潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)磨損表面存在FeB及Fe2B,并且在一定的深度內(nèi)其含量從摩擦表面向內(nèi)部逐漸增大.他們認(rèn)為,原子半徑較小、且缺電子的B可通過沉積物與基體鐵反應(yīng),生成FeB及 Fe2B,從而改善油品的抗磨減摩性能.相應(yīng)的作用機(jī)理如圖1所示.

圖1 含硼添加劑中的活性B元素與摩擦副接觸表面反應(yīng)生成摩擦化學(xué)反應(yīng)膜Fig.1 Active element B in B-containing additives reacts with contact surface of frictional pair to form tribochemical reaction film

喬玉林等[43]研究發(fā)現(xiàn),表面修飾的硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑在摩擦表面形成主要由吸附膜和摩擦化學(xué)反應(yīng)膜組成的混合表面膜,磨損表面摩擦化學(xué)反應(yīng)膜中元素的化學(xué)狀態(tài)及含量在給定速度下與試驗(yàn)負(fù)荷有關(guān),且隨反應(yīng)膜的深度方向而變化;Fe與B、N及O形成的無機(jī)化合物的含量沿深度方向逐漸增加.相應(yīng)的作用機(jī)理如圖2所示:

圖2 硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑在摩擦副接觸表面形成混合表面膜Fig.2 Formation of mixed film on contact surface of frictional pair under the lubrication of oil containing borate lubricant additives

也有人認(rèn)為,硼酸鹽添加劑在酸性介質(zhì)中轉(zhuǎn)變成硼酸,硼酸在摩擦過程中轉(zhuǎn)變?yōu)锽2O3,熔點(diǎn)(450℃)較低的B2O3可起減摩抗磨作用[17].另一方面,B2O3在空氣中可與水分子自發(fā)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成具有層狀三斜晶體結(jié)構(gòu)的H3BO3,表現(xiàn)出類似于石墨和二硫化鉬的優(yōu)良的潤(rùn)滑作用.

3.2 滲硼

董浚修等[38]對(duì)含B—N有機(jī)化合物添加劑的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的磨損表面進(jìn)行了XPS分析,進(jìn)而提出了滲硼觀點(diǎn).基于含硼酸鈉或硼酸鈣的油潤(rùn)滑下的磨損表面形貌掃描電鏡(TEM)分析,他們發(fā)現(xiàn)磨損表面存在堅(jiān)實(shí)而連續(xù)的表面膜,其中的B與O、Ca、Na、Fe原子數(shù)之比分別約為18∶1、163∶1、729∶1和7.3∶1.據(jù)此他們認(rèn)為,覆蓋在金屬表面的既不是硼酸鈣和硼酸鈉,也不是硼酸和B的氧化物,而是形成于金屬表面的B的間隙化合物FexBy;這種間隙化合物還能溶解游離態(tài)的B而形成固溶體,最后在摩擦表面形成復(fù)雜的覆蓋層(B/FexBy/FexOy),從而減小剪切應(yīng)力,提高承載能力,起到減摩抗磨作用.從實(shí)質(zhì)上來看,這種滲硼作用也是一種化學(xué)反應(yīng).結(jié)合滲硼觀點(diǎn),可以認(rèn)為,在極壓狀態(tài)下硼酸鹽可與摩擦副表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成金屬硼化物,從而起減摩抗磨作用.

4 結(jié)語

迄今,有關(guān)納米硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,多種納米硼酸鹽產(chǎn)品也已在摩擦學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和魅力.其中有些含硼化合物,特別是多種有機(jī)化合物表面修飾的油溶性稀土硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑既具有良好的摩擦學(xué)性能,又在基礎(chǔ)油中具有良好的分散穩(wěn)定性,代表了綜合性能優(yōu)良的硼酸鹽潤(rùn)滑添加劑的發(fā)展方向.在含硼化合物潤(rùn)滑油添加劑分子中引入稀土元素,可以提高其極壓抗磨性能,同時(shí)有利于促進(jìn)摩擦副表面的滲硼.值得注意的是,就納米硼酸鹽潤(rùn)滑油添加劑的合成以及摩擦學(xué)性能和作用機(jī)理研究而言,仍有大量難題有待于深入研究.比如,如何有效地提高合成產(chǎn)率,如何通過改進(jìn)合成工藝實(shí)現(xiàn)單一物相硼酸鹽的高效合成問題,如何改進(jìn)產(chǎn)物的分散穩(wěn)定性、避免儲(chǔ)存及使用過程中產(chǎn)生沉淀等,均有待于進(jìn)一步研究.此外,通過有效降低成本實(shí)現(xiàn)表面改性硼酸鹽納米顆粒合成的工業(yè)化和規(guī)?；?是實(shí)現(xiàn)其摩擦學(xué)應(yīng)用推廣的重要前提.

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Current status and progress of research on borate lubricant additives

WANG Huan-min,ZHANG Zhi-jun

(Laboratory of Ministry of Education f or Special Fonctional Materials,Henan University,Kaif eng475004,Henan,China)

O 613.8

A

1008-1011(2011)01-0104-07

2010-09-29.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2007CB607606).

王煥敏(1987-),女,碩士生.研究方向:材料化學(xué).