宋真玉，馬亞乾，李 南

(長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

納米科學(xué)與技術(shù)(nano science and technology)是指在納米尺度(1～100 nm)上研究物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用，以及在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特有功能和智能作用的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù);納米材料是指分散相尺寸有一維＜100 nm的復(fù)合材料，具有普通材料不具備的諸多特殊物理、化學(xué)性質(zhì)。近20 a來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)納米微粒作為添加劑加入潤(rùn)滑油后對(duì)潤(rùn)滑油性能的影響做了大量的研究工作，結(jié)果表明加入納米粒子后潤(rùn)滑油在抗氧化性、低溫流動(dòng)性、剪切穩(wěn)定性及抗磨減磨性等方面都有了顯著的提高［1]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)納米粒子添加劑摩擦學(xué)特性的研究大多還僅限于單一種類微粒，對(duì)于多種粒子共同表現(xiàn)出的特性研究的還不多。本文分析研究分別將不同類別(單質(zhì)、氧化物、金屬化合物)的納米粒子以不同體積分?jǐn)?shù)加入潤(rùn)滑油中時(shí)納米粒子添加劑對(duì)潤(rùn)滑油的影響。

1 納米粒子添加劑的制備

1.1 金屬單質(zhì)納米添加劑

試驗(yàn)制備的是粒徑 10 ～100 nm 的銅(Cu)粒子、鎳(Ni)粒子［2－4]。

Cu納米粒子的制備方法主要有:氣相蒸發(fā)法、機(jī)械化學(xué)法、等離子體法、γ－射線輻射法、液相還原法等。由于多數(shù)制備方法需要繁多的設(shè)備和冗雜的工藝方法，所以本實(shí)驗(yàn)采用液相還原法。液相還原法采用還原劑HCHO和氫氧化銅溶液反應(yīng)制取Cu粒子，方程式為

目前，Ni粒子常采用微波化學(xué)法和超臨界流體法制備，其特點(diǎn)是在溶液中加入還原劑將Ni2+還原成為Ni單質(zhì)，反應(yīng)式為

也可以在Ni2+溶液中加入還原劑制得納米級(jí)別的Ni粒子，反應(yīng)方程式為

1.2 金屬化合物納米添加劑

主要介紹硼酸銅和二硫化鎢(WS2)粒子的制備方法［5－6]。

1)硼酸銅。試驗(yàn)用微乳法制取硼酸銅。使用的表面活性劑為TritonX－100，助表面活性劑為正己醇，并用環(huán)己烷作為油相來(lái)配置反相微乳液，制取硼酸銅納米粒子，步驟見圖1。

圖1 硼酸銅制取過程

2)二硫化鎢。利用高能球磨機(jī)先制備得到前驅(qū)體WO3，然后將適量研磨均勻的S粉和前驅(qū)體一塊加入特制的試管爐中，加熱至一定溫度并在反應(yīng)過程中不斷通入H2，冷卻后得到WS2納米粒子。反應(yīng)方程式為

1.3 氧化物納米添加劑

說(shuō)明二氧化鈦(TiO2)和二氧化硅(SiO2)的制備方法［7－9]。

1)TiO2。試驗(yàn)用TiO2納米粒子采用水熱法制取，原料有硫酸鈦和尿素。其基本原理是在硫酸鈦溶液中加入適量的尿素?cái)嚢柚镣耆芙?，將此溶液放入含有四氯乙烯的反?yīng)釜中，經(jīng)過濾、洗滌、干燥，最后得到白色TiO2粉末，主要反應(yīng)式為

2)SiO2。SiO2納米粒子的制備是以正硅酸乙酯(TEOS)為原料。在室溫條件下，向氨水(NH4OH)中加入適量的無(wú)水乙醇，然后加入正硅酸乙酯(TEOS)，充分?jǐn)嚢瑁磻?yīng)12 h，最后經(jīng)過離心沉淀可得粒徑符合試驗(yàn)要求的SiO2粒子。

2 潤(rùn)滑油中納米添加劑的摩擦特性

在潤(rùn)滑油中加入不同體積分?jǐn)?shù)的不同納米粒子，按照文獻(xiàn)［10]的規(guī)定，在往復(fù)式摩擦磨損機(jī)上測(cè)試試驗(yàn)鋼球間的摩擦系數(shù)和鋼球的磨損量等，分析不同納米粒子對(duì)潤(rùn)滑油摩擦特性的影響。

2.1 金屬單質(zhì)納米添加劑

在基礎(chǔ)油(F4008)中加入適量分散劑，分別加入粒徑為20～30 nm不同體積分?jǐn)?shù)的Cu粒子與粒徑為20 nm不同體積分?jǐn)?shù)的Ni粒子，然后調(diào)定載荷為392 N，在往復(fù)式摩擦磨損機(jī)上進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 摩擦系數(shù)與納米Cu粒子的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖3 磨損量與納米Cu粒子的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖2 ，3表明:在納米Cu粒子的體積分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，摩擦系數(shù)最小為0.022;納米Cu粒子的體積分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，磨損量最小為6.5 mg。這說(shuō)明基礎(chǔ)油中Cu納米粒子添加劑的體積分?jǐn)?shù)為0.4% ～0.6%時(shí)為最佳，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)過高或過低都會(huì)相應(yīng)地增大摩擦系數(shù)和磨損量［11－12]。

圖4 摩擦系數(shù)與納米Ni粒子的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖5 磨損量與納米Ni粒子的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖4 ，5表明:當(dāng)納米Ni粒子添加劑的體積分?jǐn)?shù)約為1%時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損量都為最小，減小或者增加其體積分?jǐn)?shù)都會(huì)使摩擦系數(shù)和磨損量相應(yīng)增加。

2.2 金屬化合物納米添加劑

圖6為基礎(chǔ)油中加入納米硼酸銅粒子與純基礎(chǔ)油的摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。在基礎(chǔ)油(F4008)中加入適量分散劑，分別加入不同體積分?jǐn)?shù)的納米硼酸銅粒子，摩擦試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示?；A(chǔ)油的最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB=537 N(在文獻(xiàn)［13]試驗(yàn)要求的條件下，不發(fā)生卡咬的最大負(fù)荷)。

圖6 基礎(chǔ)油與加入硼酸銅的潤(rùn)滑油抗磨性比較

圖7 最大無(wú)卡咬負(fù)荷和硼酸銅的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖6可知:當(dāng)基礎(chǔ)油中加入納米硼酸銅粒子時(shí)，其抗磨性能較基礎(chǔ)油有所提高，且隨著時(shí)間的增加提高幅度增大［14]。由圖7可知，當(dāng)納米硼酸銅粒子的體積分?jǐn)?shù)約為1%時(shí)，潤(rùn)滑油的最大無(wú)卡咬負(fù)荷提高到約775 N，潤(rùn)滑油的抗磨性最好。

在基礎(chǔ)油中加入表面活性劑Span－80和分散劑并攪拌均勻，加入不同體積分?jǐn)?shù)的納米WS2粒子，負(fù)荷為245 N，經(jīng)過30 min的摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8，9所示。

圖8 最大無(wú)卡咬負(fù)荷值和WS2的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖9 磨斑直徑和WS2的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖8可知，隨著WS2納米粒子的體積分?jǐn)?shù)的增加，潤(rùn)滑油的最大無(wú)卡咬負(fù)荷逐漸提高，并且體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，最大無(wú)卡咬負(fù)荷達(dá)到最大值約830 N，基礎(chǔ)油的抗磨性最好，之后隨著WS2納米粒子的體積分?jǐn)?shù)的增加，最大無(wú)卡咬負(fù)荷反而下降。由圖9可知，隨著基礎(chǔ)油中WS2的體積分?jǐn)?shù)的增加，磨斑直徑總體呈下降趨勢(shì)［15]。

2.3 氧化物納米添加劑

在基礎(chǔ)油CA20中加入適量的分散劑，分別加入不同體積分?jǐn)?shù)的TiO2納米粒子，載荷為290 N，磨斑直徑隨基礎(chǔ)油中TiO2的體積分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖10所示。基礎(chǔ)油與添加TiO2納米粒子的潤(rùn)滑油在負(fù)荷變化時(shí)的摩擦試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照如圖11所示。

圖10 磨斑直徑與TiO2的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖11 基礎(chǔ)油與加入TiO2納米粒子潤(rùn)滑油的抗磨性比較

圖10 表明，隨著TiO2納米粒子的體積分?jǐn)?shù)的增加，磨斑直徑不斷減小，當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)抗磨性能最好，繼續(xù)增加TiO2的體積分?jǐn)?shù)，磨斑直徑反而增加;圖11表明，當(dāng)基礎(chǔ)油中加入TiO2納米粒子時(shí)，其抗磨性能較基礎(chǔ)油有所提高，在約320 N時(shí)磨斑直徑最小，這之后磨斑直徑迅速增大，并且在基礎(chǔ)油中加入體積分?jǐn)?shù)為0.3%的TiO2納米粒子后其抗磨性明顯提高［16]。

同理，將不同體積分?jǐn)?shù)的SiO2納米粒子加入500SN基礎(chǔ)油中，加熱攪拌均勻使其充分混合，用四球摩擦磨損機(jī)試驗(yàn)，載荷設(shè)置為392 N，經(jīng)過30 min后，試驗(yàn)結(jié)果如圖12，13所示。

圖12 最大無(wú)卡咬負(fù)荷隨SiO2的體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系

圖13 磨斑直徑隨SiO2的體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系

圖12 表明，潤(rùn)滑油的最大無(wú)卡咬負(fù)荷隨著基礎(chǔ)油中SiO2納米粒子的體積分?jǐn)?shù)的增加而提高，當(dāng)SiO2納米粒子的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時(shí)最大無(wú)卡咬負(fù)荷達(dá)到最大值，而最大無(wú)卡咬負(fù)荷到達(dá)峰值后慢慢下降;圖13表明，隨著SiO2的體積分?jǐn)?shù)的增加，磨斑直徑逐漸減小，到2%時(shí)磨斑直徑最?。?7]。

3 結(jié)論與建議

1)納米粒子作為一種特殊的固體潤(rùn)滑劑可以明顯提高潤(rùn)滑油的極壓性、承載能力，還能夠明顯提高潤(rùn)滑油的抗磨減摩性能。其摩擦學(xué)性能的提高與納米粒子的大小、種類、結(jié)構(gòu)、添加量等密切相關(guān)。

2)由于納米粒子加入基礎(chǔ)油時(shí)必須要加入相應(yīng)的分散劑才能使納米粒子在基礎(chǔ)油中混合均勻，而目前納米粒子的分散性和穩(wěn)定性問題還沒有得到圓滿的解決，且目前所用的分散劑對(duì)溫度很敏感，所以今后應(yīng)多注重此方面的研究。

3)目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于多種納米粒子添加劑同時(shí)加入基礎(chǔ)油的混合研究還不多，今后應(yīng)該更加注重此方面的研究。

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