蔣佳駿，吳張永，朱啟晨，蔡昌禮，朱家軍，王志強(qiáng)

（1 昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2 云南中宣液態(tài)金屬科技有限公司，云南 宣威 655400）

液壓傳動(dòng)因功率密度大、功重比高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在各類機(jī)械裝備中應(yīng)用廣泛[1]。隨著航空、航天、艦船及軍事裝備技術(shù)的發(fā)展，深地、深海、外太空等資源開發(fā)與利用，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)將在更加極端的高溫寬溫變環(huán)境下服役[2]。液壓傳動(dòng)介質(zhì)的溫度敏感性對(duì)元件性能、傳遞效率和動(dòng)作精度等具有較大影響[3-5]，隨著工作溫度升高：介質(zhì)黏度變小，元件配合界面潤滑性和密封性下降，加劇磨損和泄漏，使元件工作效率和控制精度劣化；介質(zhì)體積模量減小，可壓縮性增大，致使系統(tǒng)控制誤差增大；介質(zhì)飽和蒸氣壓增大，發(fā)生空化的臨界條件下降，誘發(fā)閥芯、噴嘴擋板等關(guān)鍵部件發(fā)生自激振動(dòng)并造成氣蝕，致使動(dòng)力傳遞失穩(wěn)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)控制特性和使用壽命。在400℃以上的服役環(huán)境中，水基液壓介質(zhì)存在結(jié)垢、蒸發(fā)、沸騰等問題，油基和其他無水合成類液壓介質(zhì)存在蒸發(fā)、老化、易燃、分解、碳化、毒性等問題，均難以滿足極端高溫工作要求。

液態(tài)金屬通常由鎵、鉍、銦、錫、鋅等低熔點(diǎn)金屬合金化制備而成，兼具金屬性和流動(dòng)性，其液態(tài)溫域?qū)?、高溫性質(zhì)穩(wěn)定、流動(dòng)性好、導(dǎo)熱性好、導(dǎo)電性能佳、生物相容性好[6-8]，在極端換熱介質(zhì)[9]、柔性電子元件[10]、液體輸運(yùn)[11]、仿生機(jī)器人[12]、化學(xué)催化[13]、生物醫(yī)學(xué)[14]等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜團(tuán)隊(duì)[15]，通過測(cè)試分析Ga-In-Sn 室溫液態(tài)金屬合金與去離子水、46#液壓油和68#液壓油的基本性能差異，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬具備應(yīng)用于高溫液壓傳動(dòng)介質(zhì)的潛力。但液態(tài)金屬低黏度、高密度的特點(diǎn)使得潤滑性、密封性降低，且更易發(fā)生紊流，不利于液壓系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性和使用壽命。

液態(tài)金屬可視作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物，屬于原子流體的范疇，與水、油等流體存在本質(zhì)不同，通過常規(guī)液壓介質(zhì)添加劑無法調(diào)控其性能。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，在基礎(chǔ)液中均勻分散納米粒子制備成納米流體能夠顯著改善原基液性能，納米流體作為航天器密封介質(zhì)[16]、特種精密加工介質(zhì)[17]、太陽能海水淡化系統(tǒng)熱交換介質(zhì)[18]等已得到實(shí)際工程應(yīng)用。在液壓傳動(dòng)領(lǐng)域，一些學(xué)者以液壓傳動(dòng)應(yīng)用為基礎(chǔ)，制備水基[19]、液壓油基[20]、環(huán)烷基[21]和硅油基[22]等多種納米流體，而以液態(tài)金屬為基礎(chǔ)液制備納米液壓傳動(dòng)介質(zhì)還未見報(bào)道。劉靜等[23]最早提出納米液態(tài)金屬概念，并將之視作一種終極冷卻劑；Li 等[24]的工作表明，將h-BN 納米粒子作為添加劑分散至液態(tài)金屬鎵中，能夠顯著提升液態(tài)金屬的抗摩減磨特性。據(jù)此，有望利用納米摻雜改善液態(tài)金屬性能使之匹配未來極端高溫液壓傳動(dòng)需求。多元混合是優(yōu)化納米流體性能的有效手段：馬明琰等[25]制備水基Al2O3-TiO2-Cu三元混合納米流體，該流體熱導(dǎo)率明顯高于相同體積分?jǐn)?shù)的單一納米流體；Sepehrnia等[26]制備發(fā)動(dòng)機(jī)油基MoO3-GO-MWCNTs 混合納米流體，摩擦學(xué)試驗(yàn)結(jié)果證明其具有優(yōu)異的抗磨減摩性能。

In51.4Bi31.4Sn17.2是一種低熔點(diǎn)銦基合金，熔點(diǎn)47℃，液相狀態(tài)下流動(dòng)性良好，相較于鎵基室溫液態(tài)金屬合金其價(jià)格更低廉；Si3N4納米顆粒作為原子晶體具有良好的自潤滑特性和熱穩(wěn)定性[27]，是制造熔融金屬坩堝的常用材料，與液態(tài)金屬相容性好[28]；石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的材料[29]，擁有超薄片層結(jié)構(gòu)，其層間易滑移、剪切強(qiáng)度低、自潤滑性能良好、高溫性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能卓越，與鎵、銦、鉍、錫等液態(tài)金屬合金之間的相容性良好[30]。本文以In51.4Bi31.4Sn17.2為基礎(chǔ)液，Si3N4納米顆粒和少層石墨烯（GNFs）為分散相，采用兩步法制備混合納米流體，實(shí)驗(yàn)研究該流體的流變性和潤滑性，對(duì)比樣品與現(xiàn)有高溫液壓介質(zhì)在熱穩(wěn)定性、流變性、潤滑性方面的性能差異。本研究為液壓傳動(dòng)介質(zhì)的極端高溫化提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

（1）實(shí)驗(yàn)材料 In51.4Bi31.4Sn17.2合金，熔點(diǎn)47.0℃，純度99.995%，東莞市鼎冠金屬科技有限公司；Si3N4納米顆粒，粒徑50nm，純度為99.9%，上海超威納米科技有限公司；化學(xué)法少層石墨烯（GNFs），厚度3～8nm，片層直徑10～50μm，純度95%，蘇州碳豐石墨烯科技有限公司；去離子水，廣州和為醫(yī)藥科技有限公司；PAO-6 潤滑油，天成美加潤滑油（北京）有限公司；長城LHM-68#礦物液壓油，中國石化潤滑油有限公司；鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液，濃度1.0016mol/L，廣州和為醫(yī)藥科技有限公司。

（2）儀器設(shè)備 FA2004N 電子分析天平，上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司；JH-100 數(shù)顯恒溫控速電動(dòng)攪拌器，金壇市晶玻實(shí)驗(yàn)儀器廠；KQ-100超聲波清洗儀，東莞市科橋超聲波設(shè)備有限公司；Malvern Kinexus Lab+型高溫旋轉(zhuǎn)流變儀，英國馬爾文儀器有限公司；Tecnai F30 透射電子顯微鏡，美國FEI 公司；Nova Nano SEM 450 掃描電子顯微鏡，美國FEI 公司；PerkinElmer TGA4000 熱重分析儀，美國珀金埃爾默儀器有限公司；MMW-1A 微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司。

1.2 In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體樣品制備流程及分散原理

采用兩步法制備體積分?jǐn)?shù)為0、5%、10%、20%、30%的In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體，其中體積分?jǐn)?shù)為0 的樣品是未添加Si3N4/GNFs混合納米顆粒但仍完成全部制備步驟的對(duì)照組。樣品制備步驟如下。

（1）將一定量體積比為50∶50的Si3N4納米顆粒和GNFs 摻入去離子水中，在50℃恒溫水浴條件下超聲分散60min，得到溶液A。

（2）將溶液A 放入鼓風(fēng)干燥箱，設(shè)定溫度為70℃，直至水分完全蒸發(fā)后，得到均勻的Si3N4/GNFs混合納米粉末。

（3）將一定量的Si3N4/GNFs混合納米粉末緩慢加入液態(tài)In-Bi-Sn 中，在粉末加入過程中，空氣氣氛下，80℃恒溫水浴機(jī)械攪拌30min。

（4）待納米粉末全部加入后，倒入稀鹽酸，80℃恒溫水浴超聲并機(jī)械攪拌45min，得到In-Bi-Sn基Si3N4/GNFs混合納米流體。

由于液態(tài)金屬的表面張力大，潤濕性差，納米顆粒難以進(jìn)入液態(tài)金屬內(nèi)部。本文利用液態(tài)金屬與空氣反應(yīng)生成的金屬氧化物將納米顆粒潤濕、包覆，從而使納米顆粒能夠進(jìn)入液態(tài)金屬并充分分散。圖1 展示了樣品的分散原理：在空氣氣氛下，In-Bi-Sn液態(tài)金屬與氧氣反應(yīng)形成一層具有良好潤濕性的納米氧化膜[31]，緩慢加入的混合納米顆粒被納米氧化膜潤濕、包覆，在機(jī)械攪拌作用下，被包覆的混合納米顆粒進(jìn)入液態(tài)金屬內(nèi)部；待混合納米顆粒加入完成后，倒入稀鹽酸，防止液態(tài)金屬被空氣進(jìn)一步氧化，在長時(shí)間的超聲波和機(jī)械攪拌共同作用下，被氧化層包裹的納米顆粒均勻分散于液態(tài)金屬基礎(chǔ)液中。

圖1 樣品分散原理示意圖

1.3 研究方法

1.3.1 樣品形貌及熱穩(wěn)定性表征

采用場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM）和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察混合納米粉末的微觀形貌。通過配有能量色散光譜儀的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM+EDS）觀察樣品表/截面形貌及元素分布，為避免樣品表面氧化層的影響，選用二次電子模式（SE mode）進(jìn)行測(cè)試。利用熱重分析儀評(píng)價(jià)樣品熱穩(wěn)定性，氣氛為氮?dú)?，溫度范?0～500℃，溫升速率10℃/min。

1.3.2 樣品流變性

高溫、易氧化和高化學(xué)反應(yīng)性是液態(tài)金屬流變性測(cè)試面臨的問題，實(shí)驗(yàn)采用特殊定制的流變儀進(jìn)行測(cè)試。圖2為Kinexus Lab+型高溫旋轉(zhuǎn)流變儀的測(cè)試原理示意圖：利用加熱單元對(duì)樣品進(jìn)行溫度控制；為削弱樣品測(cè)試期間發(fā)生的氧化，腔體采用密封設(shè)計(jì)；為避免液態(tài)金屬腐蝕，流變儀轉(zhuǎn)子和腔體采用特制非金屬材料；通過同軸圓筒模式進(jìn)行測(cè)試。

圖2 流變性測(cè)試原理示意圖

同軸圓筒模式的測(cè)試原理可由式(1)描述。

式中，μ為動(dòng)力黏度；τRp為剪應(yīng)力；γ?Rp為剪切速率；Rp為轉(zhuǎn)子半徑；Rc為外筒半徑；L為轉(zhuǎn)子高度；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；M為轉(zhuǎn)矩。通過調(diào)控轉(zhuǎn)速ω并測(cè)試轉(zhuǎn)矩M即可計(jì)算得到動(dòng)力黏度。

1.3.3 樣品潤滑性

圖3 為MMW-1A 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試原理圖：介質(zhì)樣品將上、下試樣環(huán)浸泡，下試樣環(huán)固定，上試樣環(huán)在一定載荷下作圓周運(yùn)動(dòng)，兩表面之間的摩擦系數(shù)由二維力傳感器測(cè)量的法向載荷和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的切向力計(jì)算獲得。為避免液態(tài)金屬與試樣環(huán)表面發(fā)生合金化影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，試樣環(huán)選由Si3N4陶瓷材料制成，表面粗糙度Ra為0.8；載荷和上試樣環(huán)轉(zhuǎn)速以液壓缸活塞/缸壁摩擦副的典型載荷為參考[32]，設(shè)置為50N、30r/min；測(cè)試溫度70℃；采樣頻率1次/s；每組測(cè)試時(shí)間10min。

圖3 潤滑性測(cè)試原理示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品表征

2.1.1 Si3N4/GNFs混合納米粉末微觀形貌表征

圖4 為Si3N4/GNFs 混合納米顆粒的微觀形貌表征圖：從圖4(a)的TEM圖可以看出，Si3N4納米顆粒的粒徑為50～80nm，以團(tuán)聚體形式存在；GNFs 呈現(xiàn)面積為微米尺度的片層結(jié)構(gòu)，GNFs 與Si3N4納米顆粒具有重疊。圖4(b)的SEM 圖顯示了Si3N4/GNFs混合納米顆粒的微觀三維形貌，可以看到Si3N4納米顆粒嵌于GNFs片層與片層之間，這改變了GNFs的剝離狀態(tài)和層間距離，削弱了GNFs 層與層間的范德華力，而GNFs 將Si3N4納米顆粒團(tuán)聚體隔開，也一定程度上削弱了Si3N4納米顆粒團(tuán)聚體間的分子間作用力，能夠阻礙團(tuán)聚，提高納米流體的分散穩(wěn)定性。

2.1.2 樣品微觀形貌及元素分布表征

圖5顯示了純In-Bi-Sn液滴在稀鹽酸中的實(shí)物圖片，以及不同體積分?jǐn)?shù)的In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs混合納米流體樣品液滴（凝固）的實(shí)物照片：純In-Bi-Sn 樣品呈現(xiàn)銀白色并具有明亮的金屬光澤，氧化后的In-Bi-Sn 金屬光澤減弱，這是由于In-Bi-Sn 合金與空氣接觸在其表面形成致密的納米氧化層；In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體樣品液滴呈現(xiàn)銀白色伴黑色的不規(guī)則形狀，隨著分散相體積分?jǐn)?shù)的增大，液滴在稱量紙面上的鋪展面積也越大，說明氧化層和混合納米顆粒會(huì)使液滴的表面張力下降、潤濕性顯著增加。圖6(a)和(b)分別為純In-Bi-Sn樣品和氧化后In-Bi-Sn樣品的SEM圖：從圖6(a)可以看出，純In-Bi-Sn呈現(xiàn)出較光滑的微觀表面形貌，其面上分布邊界清晰的片狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)EDS 面掃結(jié)果，片狀區(qū)域是析出的Sn，這是由于液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變發(fā)生體相分離所致[33]，這與文獻(xiàn)報(bào)道的In-Sn 合金[34]和Bi-Sn 合金[35]中Sn 更趨向于向合金表面遷移的現(xiàn)象一致；從圖6(b)可以看出，氧化后的樣品表面呈現(xiàn)出凹凸不平的形貌且存在空洞，這是由于在空氣環(huán)境下攪拌使得樣品發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的片狀氧化物鑲嵌并疊加在樣品表面，片與片之間形成許多空穴，這與文獻(xiàn)[36]觀察到的現(xiàn)象相似。

圖6 樣品表面微觀形貌表征圖

圖7(a)和(b)分別顯示了體積分?jǐn)?shù)為10%和20%的In-Bi-Sn基Si3N4/GNFs混合納米流體樣品截面的SEM圖像和EDS結(jié)果，可以看出：Si3N4/GNFs 混合納米顆粒以團(tuán)聚體形式[37]存在于In-Bi-Sn金屬基液中。在20%的樣品中，Si3N4/GNFs混合納米顆粒通過機(jī)械攪拌難以較好分散，形成了較大尺寸的團(tuán)聚體。相比之下，10%樣品中團(tuán)聚體的尺寸較小，推斷其分散性良好。

圖7 樣品元素分布圖

2.1.3 樣品熱穩(wěn)定性表征

圖8 為10%的In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體樣品與現(xiàn)有高溫液壓介質(zhì)基礎(chǔ)液（去離子水、礦物油、磷酸酯-10[38]、PAO-6）在0～500℃范圍的熱重特性曲線。由圖8 可以看出，去離子水在150℃內(nèi)完全蒸發(fā)，幾種碳?xì)浠衔镱愐簤航橘|(zhì)基礎(chǔ)液在100～270℃的范圍內(nèi)先后出現(xiàn)分解，當(dāng)溫度超過400℃時(shí)均完全分解。而10%樣品在30～500℃范圍內(nèi)沒有質(zhì)量衰減，說明在該溫度范圍下In-Bi-Sn金屬基液的蒸發(fā)性極低，且GNFs和納米Si3N4在此溫度范圍內(nèi)未發(fā)生熱分解。

圖8 熱重曲線

2.2 In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體的流變性

2.2.1 恒速恒溫下的黏度特性

設(shè)定剪切速率80s-1、溫度70℃，測(cè)試In-Bi-Sn基Si3N4/GNFs 混合納米流體樣品的黏度特性如圖9所示：由圖9(a)可知，氧化后的In-Bi-Sn樣品黏度較純In-Bi-Sn 顯著增大，這是由于氧化In-Bi-Sn樣品內(nèi)部分散的納米氧化片造成的流動(dòng)阻力，以及測(cè)試過程中樣品自由表面形成的納米氧化層，致使旋轉(zhuǎn)流變儀產(chǎn)生了額外扭矩，這與文獻(xiàn)[39]利用旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試氧化液態(tài)金屬樣品所得出的結(jié)果一致；樣品黏度隨分散相體積分?jǐn)?shù)增加而增大，說明添加Si3N4/GNFs混合納米顆粒能夠顯著提高樣品的黏度。由圖9(b)可以看出，隨靜置時(shí)間增加，20%和30%樣品在初始段的黏度有所減小，其中30%樣品的黏度減小更明顯，這是由于納米顆粒的添加量較大，部分納米顆粒未被氧化層潤濕而在表面張力作用下析出；其他樣品在長時(shí)間靜置后黏度基本不變，說明納米顆粒被氧化層充分包覆，分散穩(wěn)定性較好。由圖9(c)可知，在相變次數(shù)增加的初始段，5%和10%樣品的黏度略有增大，這是由于相變前后In-Bi-Sn 基質(zhì)的體積變化，納米顆粒團(tuán)聚體在凝固過程中受相變界面產(chǎn)生內(nèi)推力，聚集由弱變強(qiáng)，團(tuán)聚體尺寸增大；30%樣品的黏度在初始段則有所減小，這是由于30%樣品中的納米顆粒未被充分包覆且團(tuán)聚體尺寸較大，In-Bi-Sn基質(zhì)相變的體積變化破壞了團(tuán)聚體的氧化包覆層，使得納米顆粒在表面張力作用下析出。隨著相變次數(shù)增加，因試驗(yàn)過程中樣品不可避免與空氣接觸造成氧化，使得黏度值略有增大，但總體趨于穩(wěn)定。

圖9 恒溫下樣品黏度特性

2.2.2 恒速下的溫-黏特性

設(shè)定剪切速率80s-1，溫度70℃、100℃、150℃、200℃，測(cè)試In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體樣品的黏度特性如圖10(a)所示。由圖10(a)可知，樣品黏度隨溫度增大而減小，純In-Bi-Sn 黏度對(duì)溫度變化不敏感，這是由于液態(tài)金屬原子間作用力較大，高溫作用下原子間間距增大不明顯。In-Bi-Sn基Si3N4/GNFs混合納米流體的溫-黏變化程度隨分散相體積分?jǐn)?shù)增大而增大，這歸因于高溫下納米分散相布朗運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使樣品流動(dòng)阻力減小，對(duì)運(yùn)動(dòng)阻礙減小，混合納米顆粒體積分?jǐn)?shù)越大其布朗運(yùn)動(dòng)所造成的溫-黏變化越明顯；樣品黏度變化隨著溫度增高逐漸變緩，說明低溫對(duì)樣品黏度影響更明顯。

將樣品與現(xiàn)有高溫型液壓介質(zhì)基液的溫-黏特性進(jìn)行對(duì)比，以70～100℃的黏度下降率r表征，r由式(2)計(jì)算。

式中，r為黏度損失率；T為對(duì)比溫度；T0為基準(zhǔn)溫度；μT為100℃時(shí)的黏度；μT0為70℃時(shí)的黏度。

分別計(jì)算15#航空液壓油、Skydrol LD-4 抗燃液壓油、MIL-H-83282 軍用航空液壓油、去離子水、In-Bi-Sn基混合納米流體在70～100℃的黏度下降率[40]，繪制得到圖10(b)。分析圖10(b)可知，幾種現(xiàn)有高溫液壓傳動(dòng)介質(zhì)在70～100℃的黏度下降率＞25%，而In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體除30%樣品外均＜25%，說明在此溫度范圍下In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體樣品的黏度隨溫度變化小，能夠提高液壓系統(tǒng)的控制特性。

跟據(jù)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)行規(guī)范對(duì)液壓介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度的等級(jí)劃分[41]，液壓介質(zhì)在工作溫度范圍內(nèi)的黏度不能低于10mm2/s，運(yùn)動(dòng)黏度計(jì)算見式(3)。

式中，η為運(yùn)動(dòng)黏度；μ為動(dòng)力黏度；ρ為樣品密度。

經(jīng)計(jì)算，體積分?jǐn)?shù)為0 和5%的樣品運(yùn)動(dòng)黏度分別為5.8mm2/s 和4.3mm2/s，不適用于液壓介質(zhì)；而30%樣品的溫-黏特性相較于現(xiàn)有高溫液壓介質(zhì)無明顯優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 黏度隨剪切速率的變化趨勢(shì)

測(cè)試純In-Bi-Sn、10%和20%的In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體樣品在0.01～100s-1剪切速率范圍的黏度，結(jié)果如圖11(a)所示。分析圖11(a)可知，純In-Bi-Sn 在0.01～10s-1剪切速率范圍內(nèi)黏度急速下降，這是測(cè)試過程中樣品自由表面形成的納米氧化層致使旋轉(zhuǎn)流變儀產(chǎn)生了額外扭矩所致；10～100s-1趨于平穩(wěn)，顯示出牛頓流體特征，符合現(xiàn)有研究認(rèn)為液態(tài)金屬為牛頓流體的結(jié)論[42]；100s-1的黏度略高于80s-1的黏度，這是液體在較高剪切速率擾動(dòng)下形成的泰勒渦所致[43]。10%和20%樣品在0.01～10s-1剪切速率范圍內(nèi)黏度均急速下降，這與樣品的分散原理有關(guān)，如圖11(b)所示：納米顆粒表面包覆的氧化層與氧化層之間潤濕形成弱連接，表觀上呈膏狀[31]，因此初始時(shí)刻測(cè)試頭被膏狀體黏附致使扭矩增大，當(dāng)測(cè)試頭達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后弱連接被徹底破壞，納米顆粒均勻分散，剪切作用對(duì)黏度的影響逐漸變?nèi)?。?dāng)剪切速率大于15s-1后，10%樣品黏度下降速率放緩直至達(dá)到穩(wěn)定；20%樣品的黏度在15～100s-1范圍內(nèi)仍快速下降，顯示出剪切致稀的非牛頓特征。這種現(xiàn)象可以用剪切作用導(dǎo)致分散相粒度改變來解釋：由圖7(a)可知，10%樣品中顆粒團(tuán)聚體直徑小且分布較均勻，剪切作用對(duì)黏度影響較小；20%樣品中顆粒團(tuán)聚體直徑較大，大尺寸顆粒群在剪切作用下分散為小粒徑顆粒群，使流動(dòng)阻力減小，從而導(dǎo)致黏度隨剪切速率增大而顯著降低。

圖11 剪切速率對(duì)樣品黏度的影響

2.3 In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體的潤滑性

圖12(a)和(b)顯示了樣品摩擦系數(shù)-溫度特性和70℃下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。分析圖12(a)可知：PAO-6 和68#礦物液壓油的摩擦系數(shù)隨溫度增加而顯著變大，這是由于隨著溫度增大，PAO-6和68#礦物液壓油的黏度急劇減小，潤滑成膜能力變差使試樣環(huán)發(fā)生干摩擦；其中68#礦物液壓油和PAO-6 分別在100℃和150℃后摩擦系數(shù)增大更明顯，這是由于68#液壓油和PAO-6在高溫下發(fā)生分解，分子結(jié)構(gòu)遭破壞，試樣環(huán)摩擦磨損加劇。隨著溫度升高，In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體的摩擦系數(shù)隨溫度變化均不明顯，這得益于樣品黏度隨溫度變化較小，且高溫性質(zhì)非常穩(wěn)定。20%和10%樣品的摩擦系數(shù)比不添加納米顆粒的氧化In-Bi-Sn 樣品小，說明添加的混合納米顆粒能夠降低摩擦系數(shù)；10%樣品摩擦系數(shù)更小，這是由于10%樣品的分散性和抗剪切穩(wěn)定性更好，且黏度適中。對(duì)比可知，In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體在100℃以下潤滑性遠(yuǎn)不如PAO-6和68#液壓油，但在高溫下顯示出優(yōu)異的潤滑性。

圖12 樣品摩擦系數(shù)

從圖12(b)中觀察到：In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體的摩擦系數(shù)值和波動(dòng)程度大于68#液壓油和PAO-6 兩種常見液壓潤滑介質(zhì)。其中，未添加混合納米顆粒的氧化In-Bi-Sn 樣品的摩擦系數(shù)在0～150s 內(nèi)波動(dòng)劇烈，這是因?yàn)闃悠愤€未在試樣環(huán)表面形成穩(wěn)定潤滑膜，處于跑合狀態(tài)；10%和20%的In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體樣品在50s 后逐漸趨于穩(wěn)定，說明添加Si3N4/GNFs 混合顆粒后減少了跑合時(shí)間；液態(tài)金屬基樣品的摩擦系數(shù)均緩慢升高，這是測(cè)試過程中In-Bi-Sn 發(fā)生氧化所致。添加混合納米顆粒樣品的摩擦系數(shù)波動(dòng)小于氧化的In-Bi-Sn 樣品，說明添加Si3N4/GNFs 混合納米顆粒能夠使?jié)櫥瑺顟B(tài)更平穩(wěn)，其中10%樣品的摩擦系數(shù)值和波動(dòng)最小，這得益于石墨烯易進(jìn)入摩擦接觸面的超薄片層結(jié)構(gòu)和Si3N4納米顆粒“微滾動(dòng)軸承”效應(yīng)[44]的協(xié)同潤滑作用：Si3N4納米顆粒發(fā)生滾動(dòng)并擠壓低維納米添加劑石墨烯，石墨烯發(fā)生層間滑移，減小了摩擦阻力；Si3N4納米顆粒分擔(dān)了部分負(fù)載，提高了石墨烯的承載能力；Si3N4納米顆粒在低維納米添加劑石墨烯上的沉積降低了層間范德華力，增強(qiáng)了抗剪切能力；Si3N4納米顆粒與石墨烯進(jìn)入磨損表面并形成復(fù)合保護(hù)膜，可修復(fù)微磨損。

3 結(jié)論

（1）Si3N4/GNFs 混合納米顆粒中的Si3N4嵌于GNFs 片層之間，能夠阻礙團(tuán)聚，提高納米流體的分散穩(wěn)定性。由SEM+EDS 發(fā)現(xiàn)Si3N4/GNFs 混合納米顆粒以團(tuán)聚體形式分散于In-Bi-Sn基礎(chǔ)液，10%樣品的團(tuán)聚體尺寸小于20%樣品，鑒于金屬不透明、導(dǎo)電性高、電子散射大等特點(diǎn)，液態(tài)金屬基納米流體的分散性表征手段還尚待突破。相較于現(xiàn)有高溫液壓介質(zhì)，In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體在室溫～500℃范圍未發(fā)生分解、蒸發(fā)，有望應(yīng)用于400℃以上的極端高溫服役環(huán)境。

（2）In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體的黏度隨分散相體積分?jǐn)?shù)增加而增大，液態(tài)靜置時(shí)間和相變次數(shù)對(duì)＜30%樣品黏度的影響不明顯。受納米顆粒布朗運(yùn)動(dòng)影響，體積分?jǐn)?shù)越高的樣品溫-黏變化越顯著；相較于現(xiàn)有高溫液壓介質(zhì)，＜30%樣品的溫-黏變化更小，有利于提高液壓系統(tǒng)在高溫寬溫變環(huán)境的控制特性。因剪切改變了大直徑納米顆粒團(tuán)聚體的粒度，相較于10%樣品，20%樣品顯示出明顯的剪切致稀非牛頓流體特征。

（3）In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體的摩擦系數(shù)在70～200℃變化不明顯，10%樣品的在200℃條件下的摩擦系數(shù)低于PAO-6 和68#礦物液壓油。得益于Si3N4/GNFs 混合納米顆粒的協(xié)同潤滑作用，In-Bi-Sn 基Si3N4/GNFs 混合納米流體的摩擦系數(shù)降值降低、波動(dòng)減小、跑合期縮短，但在70℃下的潤滑特性仍不如PAO-6和68#礦物液壓油。精準(zhǔn)調(diào)控混合納米顆粒體積分?jǐn)?shù)和優(yōu)化制備工藝，是未來液態(tài)金屬基納米流體潤滑性的研究重點(diǎn)。