彭銳濤，賀湘波，童佳威，唐新姿，吳艷萍

(湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

0 引 言

綠色環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今發(fā)展主題，而礦物油的大量使用對(duì)環(huán)境和人體造成許多負(fù)面影響。植物油具有環(huán)境友好、易生物降解且無(wú)毒等特點(diǎn)，由于植物油分子中含有酯基,其在潤(rùn)滑過(guò)程中有益于減少摩擦和磨損[1]，通常被用來(lái)作為替代傳統(tǒng)礦物油的首選材料[2-3]。為了擴(kuò)寬其應(yīng)用范圍，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以植物油為基礎(chǔ)油,研究了多種無(wú)毒、高效的植物油添加劑[4-6]。

近年來(lái)納米科技的高速發(fā)展，材料在納米尺度下所特有的比表面積大、小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)，使其具有不同于傳統(tǒng)材料的熱學(xué)、光學(xué)以及力學(xué)等性能[7]?；谶@些特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將納米顆粒作為添加劑分散到基液中制備成納米流體能有效的提升摩擦學(xué)性能[8-10]。同時(shí)，納米顆粒由于本身的特性，使得其在基液中極易發(fā)生團(tuán)聚而沉淀，極大限制了納米顆粒的應(yīng)用[11-12]。納米Al2O3是一種六方密堆積的結(jié)晶材料，具有硬度高和優(yōu)異的耐磨性等特點(diǎn)[13-14]。目前針對(duì)納米Al2O3作為添加劑對(duì)大豆油的潤(rùn)濕行為和抗磨減摩特性的影響和機(jī)理還缺乏更為深入的研究。

鑒于此，首先為提高納米Al2O3在大豆油中的懸浮穩(wěn)定性，本文將4種表面活性劑作為分散劑，研究Al2O3納米流體懸浮穩(wěn)定性。其次，對(duì)比分析了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3納米流體對(duì)抗磨減摩性能和潤(rùn)濕性能的影響，詳細(xì)研究了納米Al2O3的抗磨減摩機(jī)理。為改善大豆油的摩擦學(xué)表現(xiàn)，擴(kuò)展其應(yīng)用提供一定的思路和數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)選擇大豆油作為基液，所用的納米Al2O3(購(gòu)于上海超威納米科技有限公司)平均粒徑為20 nm。圖1為納米Al2O3的SEM圖，可以看出其形狀為類球形。采用“兩步法”將納米Al2O3添加至大豆油中[15]，隨后將其進(jìn)行磁力攪拌30 min、超聲分散1 h，以此獲取分散均勻的Al2O3納米流體。

圖1 納米Al2O3的SEM圖Fig 1 SEM diagram of nano-Al2O3

1.2 Al2O3納米流體懸浮穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

本文考慮了SDBS，聚乙二醇600(PEG600)，十二烷基硫酸鈉(SDS)和司盤80(Span-80)4種分散劑對(duì)納米Al2O3在大豆油中懸浮穩(wěn)定性的影響，其中分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。將無(wú)分散劑的樣品設(shè)為該實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組。將透光率作為分析指標(biāo)，采用紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)(Cary 100)來(lái)對(duì)不同分散劑下的Al2O3納米流體的透光率進(jìn)行全波段掃描(200～800 nm),得到其特征波長(zhǎng)。接著，以特征波長(zhǎng)為工作波長(zhǎng)進(jìn)行單波掃描，考察其靜置數(shù)天后的透光率變化情況，進(jìn)而篩選出最佳的表面活性劑作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)所需的分散劑。以此來(lái)配置0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的Al2O3納米流體作為摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的潤(rùn)滑介質(zhì)。

1.3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

采用HRS-2M型高速往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展摩擦磨損試驗(yàn)，將純大豆油作為此實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖2所示。上式樣為GCr15鋼球，其直徑為4 mm。下式樣為GH4169高溫合金，尺寸是40(長(zhǎng))×20(寬)×10(高) mm，摩擦副的接觸形式為球盤點(diǎn)接觸。實(shí)驗(yàn)前將鋼珠和工件在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗并烘干，實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度為25 ℃，測(cè)試條件為：載荷90 N，往復(fù)速度600 r/min，往復(fù)距離為5 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)間30 min。

圖2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)圖Fig 2 Diagram of friction and wear experiment

采用探針三維輪廓儀(Nano Map 500-LS)在與摩擦滑移方向垂直面對(duì)磨痕的二維輪廓曲線進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)3次。根據(jù)式(1)[16]求得磨痕的體積磨損率K：

(1)

式中：S為橫截面積(mm2)，L為磨痕長(zhǎng)度(mm)，F(xiàn)為施加載荷(N)，S為總的滑行長(zhǎng)度(mm)。采用掃描電鏡和能譜儀(JSM-6360)對(duì)磨痕的表面形貌進(jìn)行觀測(cè)并對(duì)其表面的元素進(jìn)行檢測(cè)分析。同時(shí)，接觸角是評(píng)價(jià)流體潤(rùn)濕能力的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)其鋪展性能有重大影響。通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x(250-F1)測(cè)量不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3納米流體與GH4169的接觸角，探究納米Al2O3的含量對(duì)潤(rùn)濕性能的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 懸浮穩(wěn)定性分析

圖3所示，添加了不同分散劑的和未添加分散劑的Al2O3納米流體透光率峰值均出現(xiàn)在650 nm波長(zhǎng)左右，因此確定Al2O3納米流體的特征波長(zhǎng)為650 nm。顯然，添加分散劑的樣品透光率均高于未添加分散劑的樣品，這說(shuō)明表面活性劑能有效的促進(jìn)納米Al2O3在大豆油中的分散。圖4給出了添加了不同分散劑的和未添加分散劑Al2O3納米流體在靜置一定天數(shù)后的透光率變化情況。由圖4可知，無(wú)論是否添加分散劑，Al2O3納米流體的透光率均隨著靜置天數(shù)的增加而增大。這說(shuō)明納米Al2O3隨著靜置天數(shù)的增加，其聚集程度也在逐漸增大，大豆油基Al2O3納米流體體系的穩(wěn)定性日益下降。其中，添加了分散劑的樣品可在一定程度上維持其穩(wěn)定性?？梢?jiàn)，四種分散劑按照懸浮穩(wěn)定性效果從強(qiáng)到弱排序?yàn)椋篠DBS,Span-80,PEG600,SDS。其中SDBS對(duì)于Al2O3在大豆油中的懸浮穩(wěn)定性最佳，這是因?yàn)榧{米Al2O3被SDBS所包覆，使得其表面形成雙電層效應(yīng)，產(chǎn)生靜電排斥作用，有效的阻礙了納米Al2O3的團(tuán)聚[17]。值得指出的是靜置15天后相比未添加分散劑的Al2O3納米流體，SDS對(duì)Al2O3納米流體的穩(wěn)定性能更差，這說(shuō)明了不合適的分散劑則有可能惡化納米流體的穩(wěn)定性。

圖3 Al2O3納米流體的UV-vis圖Fig 3 UV-vis diagram of Al2O3 nanofluid

圖4 Al2O3納米流體的透光率隨靜置天數(shù)的變化關(guān)系Fig 4 Relation of Al2O3 nanofluid transmittance with standing days

2.2 摩擦系數(shù)

如圖5(a)所示，純大豆油相較于添加了納米Al2O3的油樣磨合期階段時(shí)間更長(zhǎng)，并且平穩(wěn)期的摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。含有納米Al2O3的油樣能更快的渡過(guò)磨合期，且平穩(wěn)期的摩擦系數(shù)波動(dòng)較小。說(shuō)明向大豆油中添加納米Al2O3有較好的減摩效果，能提升大豆油的潤(rùn)滑效果。為了定量的分析納米Al2O3的添加對(duì)摩擦系數(shù)的影響，將摩擦平穩(wěn)期的平均摩擦系數(shù)進(jìn)行分析，如圖5(b)所示。相較于純大豆油，納米Al2O3的添加能有效的降低摩擦系數(shù)，且摩擦系數(shù)整體呈現(xiàn)出隨著納米顆粒的濃度增加而先降低后增大的趨勢(shì)。2.0%Al2O3納米流體得到最低值，相較于純大豆油的平均摩擦系數(shù)下降了19.79%。這主要是因?yàn)榧{米Al2O3呈類球形，在摩擦接觸時(shí)，能起到類軸承的作用[18]，起到減摩作用。

圖5 不同潤(rùn)滑條件的摩擦系數(shù)Fig 5 The friction coefficient of different lubricant conditions

2.3 體積磨損率

獲得的不同潤(rùn)滑條件下磨痕的二維輪廓曲線如圖6所示。通過(guò)比較可知，相比于純大豆油，Al2O3納米流體有效的降低了磨痕的深度和寬度。且2.0%Al2O3納米流體的磨痕深度和寬度最小。不同潤(rùn)滑條件下的體積磨損率如圖7所示，與摩擦系數(shù)有著相似的規(guī)律，2.0%Al2O3納米流體表現(xiàn)出最低的體積磨損率，相比于純大豆油降低了67.8%。這說(shuō)明大豆油中的納米Al2O3能有效改善其抗磨效果和承載能力，從而減弱摩擦過(guò)程中的磨損。

圖6 不同潤(rùn)滑條件的磨痕二維輪廓曲線Fig 6 2D profile curve of wear scar under different lubrication conditions

圖7 不同潤(rùn)滑條件下的體積磨損率Fig 7 Volumetric wear rate under different lubrication conditions

2.4 潤(rùn)濕性能分析

在GH4169表面對(duì)不同濃度的Al2O3納米流體的接觸角變化情況如圖8所示.結(jié)果表明，隨著納米Al2O3含量的增加，接觸角的大小呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，在2.0%時(shí)出現(xiàn)最低值，這主要是因?yàn)榇蠖褂椭械募{米Al2O3降低了其表面張力，從而減小了接觸角。然而，高濃度下的納米顆粒無(wú)法均勻地分散在基油中，易發(fā)生團(tuán)聚，在重力的作用下失穩(wěn)而沉淀，從而導(dǎo)致接觸角增大[19]。接觸角的變化趨勢(shì)與前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，也證明了Al2O3納米流體的潤(rùn)濕性能將影響其在摩擦接觸區(qū)的抗磨減摩性能表現(xiàn)。

圖8 接觸角隨納米流體濃度的變化規(guī)律Fig 8 The contact angle variation with concentration of Al2O3 nanofluid

2.5 磨痕的表面形貌及其作用機(jī)理分析

圖9為不同潤(rùn)滑條件下磨痕的SEM圖。由圖9(a)可知，純大豆油中未添加任何潤(rùn)滑劑，僅依靠自身的潤(rùn)滑性能無(wú)法起到有效的抗磨作用，所以磨損較為嚴(yán)重。對(duì)比圖9(b)～(d)可見(jiàn)，加入納米Al2O3后使得劃痕和犁溝變淺，磨痕表面質(zhì)量有所改善。如圖9(d)所示磨痕表面質(zhì)量最佳，劃痕最為細(xì)膩。當(dāng)納米Al2O3的含量超過(guò)2.0%時(shí)，如圖9(e)、(f)所示，磨痕表面質(zhì)量逐漸下降，出現(xiàn)微坑。這是因?yàn)殡S著納米Al2O3的含量增加，更多的納米顆粒被吸附在摩擦接觸表面，有效降低了黏著磨損從而降低了摩擦系數(shù)和磨損，保護(hù)接觸表面。但當(dāng)納米Al2O3的含量大于2.0%，易發(fā)生團(tuán)聚，在摩擦接觸區(qū)高溫高壓條件下，納米顆粒和摩擦產(chǎn)生的磨粒之間易產(chǎn)生復(fù)合物，進(jìn)而導(dǎo)致三體摩擦[20]，使得磨損表面發(fā)生磨粒磨損，對(duì)Al2O3納米流體的抗磨減摩性能造成了負(fù)面影響。

圖9 不同潤(rùn)滑條件下的磨痕表面形貌圖Fig 9 Surface topography of wear surface under different lubrication conditions

為進(jìn)一步探究納米Al2O3的抗磨減摩機(jī)理，對(duì)工件磨損表面的光滑區(qū)域和犁溝區(qū)域的主要元素分別進(jìn)行了EDS分析。2.0%的Al2O3納米流體獲得的磨損表面元素EDS能譜圖如圖10所示。由圖可知，在工件磨損表面的光滑區(qū)域和犁溝區(qū)域的均檢測(cè)到元素鋁的信號(hào)，這說(shuō)明納米Al2O3填充和沉積在磨損表面。這是因?yàn)榧{米Al2O3在鋼珠和工件對(duì)磨的過(guò)程中因接觸面之間的摩擦而嵌入磨痕表面，起到修復(fù)凹坑的作用。圖10(a)出現(xiàn)了氧元素，而圖10(b)中沒(méi)有出現(xiàn)此類元素。說(shuō)明在摩擦過(guò)程中納米流體除了通過(guò)物理吸附作用形成潤(rùn)滑膜，還有可能通過(guò)氧化反應(yīng)形成一層分布不均勻且不連續(xù)的氧化潤(rùn)滑膜。并且所生成的氧化潤(rùn)滑膜強(qiáng)度更高，因此能有效的保護(hù)接觸面并降低磨損。

圖10 2.0%Al2O3納米流體的磨痕表面EDS圖譜Fig 10 EDS spectra of 2.0%Al2O3 nanofluid wear surface

綜上，大豆油基Al2O3納米流體的作用機(jī)理可以用簡(jiǎn)化的原理圖來(lái)解釋，如圖11所示，首先，納米流體在摩擦接觸區(qū)形成潤(rùn)滑膜，降低粘著磨損；其次，如圖11(c)所示，納米級(jí)Al2O3較易的滲透至摩擦接觸區(qū)，有效的將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換成滾動(dòng)摩擦。同時(shí)在摩擦接觸區(qū)重載荷作用下，納米顆粒在接觸表面發(fā)生沉積，起到修復(fù)表面的作用，使得磨損表面更加光滑。圖11(b)所示，通過(guò)范德華力吸附形成潤(rùn)滑膜和氧化反應(yīng)形成的潤(rùn)滑膜，能有效的避免鋼珠與工件直接接觸，從而降低磨痕表面的磨損和摩擦系數(shù)，起到抗磨減摩效果。

圖11 納米Al2O3的抗磨減摩機(jī)理示意圖Fig 11 Schematic diagram of anti-friction and anti-wear mechanism of Nano-Al2O3

3 結(jié) 論

(1)添加分散劑能有效的將納米Al2O3在大豆油中均勻分散，但靜置一段時(shí)間后，不合適的分散劑會(huì)出現(xiàn)惡化其穩(wěn)定性的現(xiàn)象。使用SDBS作為分散劑時(shí)，懸浮穩(wěn)定性最佳。

(2)納米Al2O3能有效的提升大豆油的抗磨減摩性能和潤(rùn)濕性能。且2.0% Al2O3納米流體表現(xiàn)出最佳的潤(rùn)滑效果和潤(rùn)濕特性，相比于純大豆油的平均摩擦系數(shù)、體積磨損率和接觸角分別下降了19.79%、67.8%和32.67%。

(3)摩擦過(guò)程中Al2O3納米流體能在摩擦接觸區(qū)通過(guò)物理吸附作用形成潤(rùn)滑膜，同時(shí)局部發(fā)生氧化反應(yīng)形成氧化潤(rùn)滑膜。兩種潤(rùn)滑膜均能有效的保護(hù)磨損表面，但氧化反應(yīng)膜強(qiáng)度更高，抗磨效果更明顯。大豆油中的納米顆粒不僅具有類軸承作用，而且能在一定程度上修補(bǔ)鋼珠與工件對(duì)磨時(shí)受損的表面，起到自修復(fù)的作用。