含纳米CaCO_3_Cu混合物添加剂润滑油的研究
纳米颗粒添加剂在润滑油中的应用
广 泛 关注 。 已经发 现 的纳 米金 属 、 米氧 化物 、 纳 纳米硫 化 物 、 纳 米 管、 碳 富勒烯 、 刚石 以及 纳米磁 性 颗 粒等 金
都能使润滑油的润滑性能大幅提高。该文综述 了各种纳米颗粒润滑油添加 剂的摩擦 学性能， 究 了它们的 探 润 滑机理 。基 于大量的 实验研 究 结果 比较 了他 们 性 能 的优 劣 ， 出纳 米磁 性 颗粒 作 润 滑 油添加 剂有 其 它材 提 料 不 可比拟 的优 势 ， 出如何提 高添加 剂 的分散 稳 定性 是提 高润 滑油 润滑性 能 的关键 问题 。 指
关键 词 ： 纳米 颗粒 ； 添加 剂 ； 润滑 油 中图分 类号 ：Ｅ ６ Ｔ ３ ６ １ Ｔ ｌ ． 文献 标 志码 ： 文章编 号 ：０ ０４ ５ （０ ２ ０ －０ １０ Ｔ ６ ６； Ｇ ５ ．６； Ｈｌ ７ ２ Ｂ １０ －８ ８ ２ １ ）６０ ０ －５
１ 概 述
米微粒渗透 到材料表 面在表 面使材料 的硬度 大幅提
寸极小且形状类似圆形 ， 可在零件相对运动是产生微 轴 承效 应 ， 滑动 摩擦 为滑 动和滚 动 复合摩 擦 ， 到减 变 起 小摩擦的作用； 最主要 的是纳米微粒能对受损零件表 面进行 自 修复。纳米微粒具有很高的表面能能吸附在 金属表面 ， 形成吸附膜 ， 随着运动的进行温度 的升高纳
性不 佳 引起 的 。提 高纳 米金属 粒子 分散 稳定性 的问题
加 入润 滑油 中能 改善 润 滑 油 的物 理 性 能 ， 降 低 润 滑 如 剂 的凝 点 ， 消除泡 沫 提 高粘 度 ， 改善 粘 温 特 性 等 ， 而 从 提 高零 件 的减膜 和抗 磨 性 ； 一 方 面纳 米 微 粒 由于 尺 另
进行 综述 ， 绍 了常用 的 几类 纳米 润 滑 添加 剂 和 他 们 介 的摩 擦 学性 能 ， 对他 们 的润滑 机理 进行 了探讨 ， 比较 了 它们 的性 能优 劣 。
纳米颗粒及其在润滑油脂中的应用
第23卷 第4期摩擦学学报V o l23, N o4 2003年7月TRIBOLOGY July,2003纳米颗粒及其在润滑油脂中的应用刘维民(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 730000)摘要:纳米材料科学与技术的发展有力地推动了新型先进润滑材料与技术的发展,与之相适应,无机纳米颗粒作为润滑油脂抗磨损添加剂的研究受到了广泛关注.业已发现,某些纳米硫化物、纳米氧化物、纳米稀土化合物及纳米软金属均具有良好抗磨损作用,这同纳米颗粒在磨损表面的沉积及其在一定程度上对磨损表面的“修复”作用密切相关;利用有机-无机复合技术在纳米颗粒表面引入有机修饰分子,可有效地抑制纳米颗粒的团聚,从而提高纳米颗粒在润滑油中的分散稳定性;而纳米润滑添加剂实现工业化应用的关键在于规模化制备技术开发成功及生产成本的大幅度降低.关键词:纳米颗粒;润滑油脂添加剂;抗磨损性能中图分类号:T H117.3文献标识码:A文章编号:1004-0595(2003)04-0265-03 纳米材料指几何尺寸达到纳米尺度并具有特殊性能的材料,其主要类型包括零维纳米颗粒与粉体、一维纳米碳管和纳米线、二维纳米薄膜及三维纳米晶块体材料等.纳米材料结构的特殊性(如大的比表面、小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应)赋予了其不同于传统材料的各种独特性能,其中尤以特异的电学、热学、磁学、光学及力学性能等最为引人注目,具有重要的应用和开发价值.而纳米材料的摩擦学应用同样立足于其独特的性能[1,2].润滑油脂的服役行为在很大程度上取决于润滑添加剂的性能.毋庸讳言,传统润滑油脂依然占据着当今润滑油脂市场的主导地位,但其在高承载能力及环境友好等方面的应用局限性不容忽视.正因为如此,新型润滑油脂的研究开发受到了国内外摩擦学家和润滑油品研制开发人员的广泛关注,其中纳米颗粒材料作为润滑油添加剂的研究更成为国内外关注的焦点之一.我国在该领域的研究工作得到了863计划和国家自然科学基金的大力支持,同时得到了中国科学院等相关研究院所和中国石油天然气股份公司等特大型相关企业的有力支持,取得了长足进展;目前,几种具有代表性的产品业已获得初步应用推广.1 研究进展事实上,某些润滑油清净添加剂的碱性组分中往往含有大量的纳米尺度组分如纳米碳酸钙等,而摩擦学科研人员早在20世纪80年代即已注意到该组分的抗磨损作用.毫无疑问,用作润滑油添加剂的固体颗粒材料必须满足润滑油的有关标准,如其粒径必须小于0.5 m、必须可以长期稳定溶解或分散于润滑油中等.一般而言,无机纳米颗粒难以长期稳定分散于润滑油中,这限制了其在润滑油中的应用.为了克服这一缺陷,可以采用长链有机化合物对无机纳米颗粒进行表面修饰,使得无机纳米颗粒表面经化学键合形成有机化合物包覆层,从而通过加强其亲油性而提高其在有机溶剂及基础油中的分散稳定性,为其作为润滑油添加剂奠定基础.业已受到研究者关注的可用于无机纳米颗粒表面修饰的有机化合物主要包括有机酸、有机胺、有机硫磷酸、聚异丁烯丁二酰亚胺等.其中含硫-磷-氮有机化合物修饰的纳米颗粒作为润滑油添加剂通常表现出更好的抗磨性能和更高的承载能力[3～8],而有机酸修饰的纳米颗粒作为润滑油添加剂通常具有环境友好特性[9～12].Zhang等[1]早在近10年前即尝试将有机硫磷酸修饰的M oS2纳米颗粒用作润滑油抗磨添加剂,并发现经有机硫磷酸修饰的M oS2纳米颗粒在液体石蜡中的分散稳定性显著提高,具有明显的减摩、抗磨和极压承载作用.此后,一系列有机物修饰的无机纳米润滑油添加剂,包括氧化物如T iO2[2,9～11]、PbO[12],稀土化合物如LaF3[3～5],软金属如Cu[10]、硫属化合基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(50235030);国家863计划资助项目(2002AA302607).收稿日期:2003-03-26;修回日期:2003-05-10/联系人刘维民,e-mail:w mliu@.作者简介:刘维民,男,1962年生,博士,研究员,博士生导师,目前主要从事材料摩擦学和材料化学研究.物如ZnS等[6～8,14～18]相继研制成功.应当指出,目前纳米有机-无机复合润滑添加剂尚未达到低成本、规模化生产,因而离实际应用尚有一定距离.此外,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室近年来的研究表明,并非各种纳米颗粒皆具有润滑和抗磨作用,而纳米颗粒在含复合添加剂的调制油中的抗磨作用易被其它添加剂掩盖甚至减弱.一般而言,纳米颗粒的粒度对润滑和抗磨性能具有重要影响.初步研究表明,粒径为15nm的Cu纳米颗粒在润滑油中的抗磨效果优于粒径为40nm的Cu 纳米颗粒.据此可以初步推测,粒径较小的纳米颗粒作为润滑油添加剂在金属磨损表面的沉积及其对磨损表面的修复能力更强.而针对纳米颗粒形状同其润滑效果相关性的研究至今尚未见报道,针对化合物性质、类型与抗磨损性能的关系的研究亦亟待深入.针对纳米颗粒的润滑抗磨机制,人们提出了纳米颗粒在摩擦力作用下的微滚动及在磨损表面形成沉积润滑膜这2种主要观点;此外亦有人提出了纳米颗粒在摩擦力作用下渗入材料晶格内部从而起到强化作用的观点.基于纳米颗粒的低熔点和高化学活性,作者认为沉积成膜可能性最大.尺寸很小的纳米颗粒在压应力作用下将优先沉积于磨损表面微观缺陷区域,从而对磨损表面起到某种修复作用,进而起到良好的减摩和抗磨作用;由于新鲜磨损表面和纳米颗粒的化学活性均较高,可以预期所产生的沉积薄膜同磨损表面的结合强度较高,这也有利于更好地发挥纳米颗粒的减摩抗磨作用.由于纳米材料本征特性的不同,不同的无机纳米颗粒作为润滑油添加剂表现出不同的润滑、抗磨及承载作用.应该强调的是,由于超薄润滑膜原位分析表征手段的欠缺,上述关于纳米润滑添加剂抗磨作用机理的不同观点均缺乏直接的实验证据.此外,尽管某些无机纳米颗粒如氧化物、稀土化合物、硫化物、软金属等在润滑油中的分散稳定性不佳,但其在润滑脂中的应用不容忽视.作者预期,将纳米颗粒引入传统润滑脂完全有可能研制出具有优良抗磨损性能和高承载能力的润滑脂新产品.从环境保护的角度而言,纳米颗粒作为润滑油脂添加剂具有环境友好的特性.这一方面是由于其在润滑油脂中的用量很小,另一方面更是因为有机-无机复合纳米颗粒添加剂中由C、H、O组成的有机修饰剂分子对环境潜在的负面影响极小.应当注意的是,润滑油除了起到润滑、抗磨损、提高承载能力等作用外,还可起到传递摩擦热和冷却摩擦副的作用.因此,单纯强调纳米颗粒润滑添加剂的无油减摩和抗磨作用并无实际意义.从这一角度而言,研制开发具有特异减摩、抗磨和极压承载作用的复合纳米润滑材料可能是实用和可行的选择之一.2 研究发展重点和趋势软金属、氧化物、稀土化合物、硫化物纳米颗粒作为润滑油脂添加剂极具发展潜力,而其低成本、规模化制备技术的开发成功是其实现大规模工业应用的首要条件.从发展趋势来看,应当注意深入系统地研究纳米颗粒组成、粒径、修饰剂成分等对润滑剂性能的影响,探讨抗磨或“自修复”机制,以指导纳米润滑添加剂的研究开发.同时还应设计和发展具有良好抗磨性能、高承载能力、对磨损表面具有一定磨损修复功能、对环境无污染或少污染的新型纳米润滑油脂添加剂,以满足高科技应用需要.3 结束语通过化学修饰方法制备的在润滑油中具有良好分散性的纳米颗粒作为润滑油添加剂通常具有良好的抗磨性能,优异的极压性能和一定的减摩性能.这主要是由于在摩擦过程中形成了纳米颗粒沉积膜以及由润滑剂活性元素同金属摩擦副表面相互作用生成的摩擦化学反应膜,二者组成复合边界润滑膜,从而有效地提高润滑剂的摩擦学性能.今后应该重点加强环境友好、具有良好抗磨性能、高承载能力、对磨损表面具有修复功能的新型多功能纳米润滑添加剂的研究,同时加强纳米润滑材料的制备和表征技术以及结构同性能的关系研究.参考文献:[1]Zhang Zh ijun,Zh ang J un,Xu e Qunji.T he synthesis andchar acterization of molybdenum dis ulfide nanoclu ster[J].JPhys ical Chemistry,1994,99:12973-12977.[2]Xu e Qunji,Liu Weimin,Zh ang Zhijun.Friction and w earproperties of a s urface-modified TiO2nan op article as an additivein liquid paraffin[J].Wear,1997,213:29-32.[3] Zh ou J ingfang,W u Zhis hen,Zhang Zhijun,et al.Study on anantiwear and extreme p res sure add itive of surface coated LaF3nanoparticles in liquid paraffin[J].W ear,2001,249:333-337.[4]Zhan g 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reat potential as lubricating materials o r for dev elo pment of advanced lubrication technolo gy.Recently ,nanoparticles as oil additives have gained more and mo re attention for purpose of reducing friction and w ear.It has been fo und that v ar io us inorg anic nanoparticles such as sulfides,ox ides ,rare ear th fluorides ,and copper as oil additives are capable o f consider ably reducing wear and increasing load-car rying capacity.T his could be attributed to the formation o f a boundary film com posed of the deposited nano particles and the tribochem ical reaction pro ducts o f the activ e elements in the lubricants w ith the lubricated m etal surfaces ,w hich has been testified by the analysis o f the w o rn surface w ith of X -ray photoelectro n spectroscopy and scanning electron m icrosco py .The inorg anic nanoparticles as lubricating o il additives are also capable of healing the w or n metal surfaces,ow ing to its strong activ ity and interaction there w ith.How ev er ,further w ork is needed to decrease the cost of nanoparticles by realizing large-scale pr oduction ,before they find w ide industrial application .It is thus sug gested to fo cus on the study of nov el metho dolo gy fo r the pr eparatio n of nanom aterials and on the development of novel multifunctional and enviro nm entally friendly nanoparticles as lubricating oil and g rease additives.Key words :nanoparticles ;lubr icating oil and grease additive ;antiw ear ability Author :LIU Wei -m in ,male ,bo rn in 1962,Ph .D .,Research Professor ,e -mail :w mliu @ns .lzb .ac .cn .267第4期刘维民: 纳米颗粒及其在润滑油脂中的应用。
纳米金属粉末在润滑油中的应用
纳米金属粉末在润滑油中的应用将超细金属粉末（如纳米铜、纳米镍及其合金等）以适当方式加入润滑油中，可得到一种性能优异的新型润滑油。
摩擦学实验表明，当铜粉的粒径大于100nm时，它是一种磨料，但当其粒径小于50nm时，可较大幅度提高润滑油的最大无卡咬负荷。
复朗施纳米科技利用国际领先的技术制备的高纯度50nm金属铜粉，使纳米铜粉的这种性能使之在润滑油中具有重要的用途，国内科研机构通过对纳米铜粉的表面进行改性，克服了纳米铜粉在润滑油中的自憎现象，能均匀、稳定地分散在润滑油中并可防止纳米铜粉的二次积聚和沉淀，成功开发了纳米铜润滑油添加剂。
将这种添加剂添加到汽车发动机润滑油中，可明显减小发动机的启动电流并明显增大压力。
发动机使用这种添加剂一段时间后，缸套和活塞环上便形成一层保护膜，一旦润滑油系统发生故障，汽车还能安全行使一段时间。
纳米金属粉末在电子领域中的应用随着金属粉末粒径的急剧减小，其物理性能会发生很大万方化。
如金的常规熔点为1064度，当颗粒减小到10nm时,则降低27度，2nm尺寸金的熔点仅约327度；银的常规熔点为670度，而超微银颗粒的熔点可低于100度。
因此用纳米粉末制成的导电浆料，可以显著降低陶瓷的烧结温度，能大大提高芯片的可靠性和成品率，降低生产成本。
如超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，这种情况下元件的基片可不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。
纳米导电浆料可广泛应用于微电子工业中的布线、封装、连接等，对微电子器件的小型化起着重要的作用。
纳米金属粉末在磁性材料领域中的应用纳米金属粉末广泛应用于制造纳米磁记录材料、磁性液体、纳米磁性颗粒膜材料等，如用纳米钴、纳米铁、纳米镍等磁性金属粉末制备的磁性液体，可应用于旋转密封、阻尼器件、磁性液体印刷、选矿分离、精密研磨和抛光、磁性药物、磁性液体刹车等。
但这种技术对纳米粉末质量要求较高，目前纯度有保证的制备方法是电爆法制备的金属粉，这种方法制备的金属粉力度均匀，纯度高，且稳定性好，对于纳米金属粉末在磁性材料领域中的应用起到了锦上添花的作用。
含纳米CeO2,Cu混合物添加剂润滑油摩擦学性能研究
增 刊 ８月
材
料
热
处
理
学
报
Ｖ １ ８ Ｓ ｐ ｌｍ ｅ ｔ ｏ ．２ ｕ ｐ ｅ ｎ Ａｕ ｕ ｔ ｇ ｓ ２０ ０７
ＴＲ ＡＮ Ｓ ＡＣＴ Ｏ Ｓ ＯＦ Ｍ Ａ Ｉ Ｎ ＴＥ ＡＬＳＡＮＤ ＡＴ Ｔ ＲＩ ＨＥ ＲＥ ＡＴ Ｅ Ｔ Ｍ Ｎ
铜粒子用适 当的表 面活性剂进行表 面改性处理 ，经表 面改性 的纳米 粒子在润滑 油中具有 良好 的分散 、稳 定性 。采用透射 电镜 （Ｅ 观察与测量纳米二氧化铈、铜粒子的形貌和平均直径 。应用四球摩擦磨损试验机测定添加纳米二氧化铈 、铜粒 子的润 滑 Ｔ Ｍ） 油的极压性能（Ｂ、磨痕直径（ Ｄ） Ｐ） ＷＳ 和摩擦因数（ 等 。研 究结果表 明，最佳的纳米二氧化铈 、铜 粒子的总添加量为 ０６ ｕ） ． ％左右 、
ｎ ｎ ． Ｏ２ ｎ ａ ｏ ＣＵ ａ ｏ Ｃｅ ｄ ｎ ｎ ． ａ
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环保型润滑油纳米添加剂的摩擦学行为
环保型润滑油纳米添加剂的摩擦学行为
李海涛;刘万辉;鲍爱莲
【期刊名称】《中国材料科技与设备》
【年(卷),期】2008(005)003
【摘要】本文从环保的角度，选择并制备两种纳米材料（CaCO3、Cu粉），作为润滑油抗磨、减摩的添加剂。
介绍了两种纳米材料的水热法制备工艺，并进行了X射线衍射分析。
将其通过超声波分散后，加入到20#润滑油中，利用MMS-2B 摩擦磨损试验机进行摩擦学试验，测定合纳米粒子的润滑油的摩擦学性能。
结果表明：可以采用水热法制备出高纯度的纳米级CaCO3粉、Cu粉；合纳米粒子的润滑油具有良好的抗磨减摩性能，滑动摩擦距离为400m时，其相对磨损量仅为0．13，摩擦系数为0．088。
【总页数】2页(P47-48)
【作者】李海涛;刘万辉;鲍爱莲
【作者单位】黑龙江科技学院材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150027
【正文语种】中文
【中图分类】TH117
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3.添加纳米磁性微粒的润滑油摩擦学行为研究 [J], 冯雪君;杨志伊
4.表面改性海泡石纳米纤维作为润滑油添加剂的摩擦学行为 [J], 尹艳丽;于鹤龙;王红美;魏敏;史佩京;白志民;张伟;徐滨士
5.Ni、Y复合石墨烯作为润滑油添加剂对GCr15钢摩擦学行为的影响 [J], 师晶;赵润强;王琬瑢;徐颖强
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纳米CaCO3、Cu混合物润滑油添加剂的摩擦学性能
纳米CaCO3、Cu混合物润滑油添加剂的摩擦学性能
顾卓明;顾彩香
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2006(000)007
【摘要】采用纳米碳酸钙、纳米铜粒子混合物作为润滑油添加剂,利用四球摩擦磨损试验机考察了含纳米碳酸钙、纳米铜粒子添加剂的润滑油的摩擦学性能;用扫描电子显微镜(SEM)考察了磨痕表面的形貌;用原子力显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察分析了在磨损表面纳米粒子的形态与分布.研究结果表明,纳米碳酸钙、纳米铜的混合粒子的总添加量为0.6%,质量比为1:1时,润滑油具有最佳的摩擦学性能;润滑油中纳米碳酸钙、纳米铜混合物粒子添加剂的优良摩擦学性能与纳米粒子在表面存在形态相关.
【总页数】4页(P94-96,99)
【作者】顾卓明;顾彩香
【作者单位】上海海事大学商船学院,上海,200135;上海海事大学商船学院,上海,200135
【正文语种】中文
【中图分类】TH11
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纳米材料在润滑油中的应用与性能研究
纳米材料在润滑油中的应用与性能研究润滑油在机械设备中扮演着重要的角色，它能有效减少摩擦和磨损，延长机械设备的使用寿命。
传统的润滑油通常采用添加剂来改善其性能，然而随着纳米技术的发展，纳米材料在润滑油中的应用逐渐成为研究的热点。
本文将探讨纳米材料在润滑油中的应用与性能，并对其研究现状进行分析和总结。
一、纳米材料在润滑油中的应用1.1 纳米材料的种类纳米材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其尺寸在纳米级别（10^-9米）范围内。
常见的纳米材料有纳米金属颗粒、纳米氧化物、纳米碳材料等。
这些纳米材料具有高比表面积、优异的力学性能和独特的表面效应，使其在润滑油中具有广泛的应用潜力。
1.2 纳米材料的应用方式在润滑油中应用纳米材料有两种常见的方式：一是直接将纳米材料添加到润滑油中；二是将纳米材料负载在载体上，形成纳米润滑剂。
这两种方式各有其优势和适用情况。
直接添加纳米材料可以简化工艺流程，但存在分散性和稳定性等问题；而负载纳米润滑剂则可以提高纳米材料的稳定性和分散性，以及润滑油的使用效果。
二、纳米材料在润滑油中的性能研究2.1 摩擦降低性能纳米材料在润滑油中的应用主要目的之一就是降低摩擦系数和磨损率。
通过添加纳米材料，可以改善润滑油的润滑性能，减少金属表面间的直接接触，从而减少摩擦和磨损。
研究表明，纳米金属颗粒和纳米氧化物等纳米材料在润滑油中的应用可以显著降低材料的摩擦系数，并减少磨损量。
2.2 抗氧化性能纳米材料在润滑油中的应用还可以提高润滑油的抗氧化性能。
纳米氧化物具有高度的化学稳定性和抗氧化性能，可以吸附和中和润滑油中的有害物质，延缓润滑油氧化和老化的过程。
研究表明，添加纳米氧化物的润滑油能够在高温高压等恶劣环境下保持较好的抗氧化能力，提高润滑油的使用寿命。
2.3 负载纳米润滑剂的性能研究负载纳米润滑剂是一种新型润滑油材料，其在润滑油中的应用也得到了广泛的关注。
负载纳米润滑剂通常由纳米材料和载体组成，通过纳米材料和润滑油的相互作用，形成稳定的纳米润滑剂。
纳米粒子添加剂在润滑油中的摩擦性能研究综述
－Байду номын сангаас
ｔ 一 定 温 度 反 应 Ｈ分 液 亭 Ｈ Ｈ 璧
圈 １ 硼 酸 铜 制取 过 程
２ ） 二 硫化 钨 。利 用高 能球 磨机 先 制备 得 到 前 驱 体 ＷＯ ， 然 后 将 适 量 研磨 均 匀 的 ｓ粉 和 前 驱体 一 块
加入 特 制 的试 管 炉 中 ， 加 热至 一定 温 度并 在反 应过 程 中不 断通 入 Ｈ ， 冷 却后 得到 ＷＳ ： 纳米粒 子 。反应 方
纳 米 粒 子 添 加 剂 在 润 滑 油 中 的 摩 擦性 能研 究综 述
宋真玉 ， 马亚乾 ， 李 南
（ 长安大学 汽车学院， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ６ ４ ）
摘要 ： 研究纳米粒子添加剂的摩擦特性 。介绍单质 、 氧化物 、 金属化合 物等不同纳米粒 子的制备方法 ， 并将 制得 的纳米粒 子以不同体积分数加入润滑油 中 ， 对 比分析不同纳米粒 子对润滑油摩 擦特性的影 响。试验 表明 ： 当润
程式 为
Ｗ Ｏ３＋ ２ Ｓ ＋３Ｈ２＝ Ｗ Ｓ ２＋ ３ Ｈ２ Ｏ．
第２ １ 卷
第 １ 期
山东交通学院学报
Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ ＯＦ Ｓ ＨＡ Ｎ Ｄ Ｏ ＮＧ Ｊ Ｉ Ａ Ｏ Ｔ ＯＮ Ｇ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ
Ｖ０ ｌ ＿ ２ １ ＮＯ ． １
Ｍａ ｒ ． ２ ０１ ３
２ ０ １ ３年 ３月
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２ — ０ ０ ３ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ １ ６
第 １ 期
宋真玉等 ： 纳米粒子添加剂在润滑 油中的摩擦性 能研究综述
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含纳米CaCO3,Cu混合物添加剂润滑油的研究Study on L ubricating O ils Containing M ix turesA dditives of N ano CaCO3and N ano Cu顾卓明,顾彩香,范少卿(上海海事大学商船学院,上海200135)GU Zhuo ming,GU Cai x iang,FAN Shao qing (Merchant College o f Shanghai M aritime U niv ersity,Shanghai200135,China)摘要:采用纳米碳酸钙、纳米铜粒子混合物作为润滑油添加剂。
选择合适的表面活性剂制备含纳米碳酸钙和纳米铜粒子混合物添加剂的润滑油。
利用四球摩擦磨损试验机考察含纳米碳酸钙、纳米铜粒子添加剂的润滑油的摩擦学性能;用扫描电子显微镜(SEM)观察表面磨痕的形貌。
用原子力显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察分析在磨损表面纳米粒子的形态与分布。
研究结果表明,纳米碳酸钙、纳米铜的粒子混合物的最佳添加量为:纳米碳酸钙与纳米铜的总添加量的质量分数为0.6%,纳米碳酸钙与纳米铜的质量分数之比为1 1;该润滑油具有最佳的摩擦学性能。
研究还表明,润滑油中纳米碳酸钙、纳米铜粒子混合物添加剂的优良摩擦学性能与纳米粒子在表面存在形态相关。
关键词:纳米碳酸钙;纳米铜;润滑油;摩擦学性能中图分类号:T B383;T H117 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2007)02 0019 04Abstract:T he Nano CaCO3and nano Cu particles w as selected as m ix tur es additives of lubricating oils.T he suitable surfactants w ere selected,and lubricating o ils w ith mix ures of nano particles of Ca CO3and Cu w ere prepared.T heir tr ibolo gical proper ties w ere tested in fo ur ball tr ibotester.T he sur face m orpho logy o f wear scar w er e ex amined by scanning electron microscope(SEM).T he nano parti cles morpholog y and distribution o n w orn surfaces w ere analyzed by ato mic force micro scope(AFM) and scanning electr on m icro sco pe(SEM).T he research results sho w that,the optim al additive volume and pr opo rtio n of nanoparticles are:m ass fraction of mixures of nano particles of CaCO3and Cu is 0 6%,and their mass fraction ratio is1 1;and this lubricating oil has excellent tribo logical proper ties.T he optim um tribolog ical pro perties of m ixures o f nanoparticles of CaCO3and Cu in lubricating oils may be r elated w ith existing states o f nanoparticles on surfaces.Key words:nano CaCO3;nano Cu;lubricating oil;tribolog ical perfo rmance近年来国内外的研究表明,不少纳米粒子加入到润滑油中,会改善润滑油的摩擦学特性,提高其极压性能和抗磨、减摩性能,增加机器使用效率、延长机器零部件的使用寿命。
被用作润滑油添加剂的纳米材料包括:纳米金属、纳米无机化合物以及富勒烯类等[1-8]。
含纳米粒子添加剂的润滑油在使用中可同时发挥流体润滑与固体润滑的作用,在高温、重载等情况下效果更为显著。
值得指出的是,纳米粒子用作润滑油添加剂的用量是很少的,而且这些纳米粒子润滑油添加剂还具有环境友好的特性,从环保角度而言,它们对环境的负面影响极小;而传统的润滑油极压、抗磨添加剂多数含有S,P,Cl等有害环境的元素。
以往的纳米粒子用作润滑油添加剂的研究工作主要集中在单一种类的纳米粒子,而不同种类的纳米粒子复合加入润滑油作为添加剂会有助于发挥它们的不同作用。
此外,对于纳米粒子润滑油添加剂的润滑作用机制提出过微滚珠!作用、沉积润滑层与修复!作用等[9,10],但是对于上述机制目前尚缺少实验研究。
本研究拟采用纳米碳酸钙、纳米铜粒子混合物作为添加剂加入润滑油,研究润滑油的摩擦学性能;并且利用高倍扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等手段观察分析摩擦表面纳米粒子的形貌与分布等,对纳米碳酸钙、纳米铜粒子混合物的抗磨、减摩机理进行探讨。
1 实验本研究采用500SN石油馏分作为基础油,在其中加入纳米碳酸钙与纳米铜总添加量的质量分数不同以及纳米碳酸钙与纳米铜的质量分数之比不同的纳米碳酸钙粒子与纳米铜粒子混合物,从而配制出多种实验用的油样。
使用日立H 600透射电镜观察实验用的纳米碳酸钙和铜粒子的形貌和测定纳米粒子粒径大小。
选用非离子型的表面活性剂以及利用超声波振荡、加热搅拌等化学、物理的方法将上述纳米碳酸钙和纳米铜粒子混合物均匀地分散到500SN基础油中去。
本研究选用的表面活性剂为聚醚(聚氧乙烯十二烷基醚)、吐温(T w een) 60、司本(Span) 20和司本(Span) 80。
在研究中,根据纳米胶囊化原理与亲水亲油平衡值(H LB)经验公式,将它们按3 2 2 1的比例均匀混合后再加入不同量的纳米粒子混合物,然后加入到500SN基础油中。
各油样先置于KQ218超声波振荡器中振荡20min,然后在H97 A型恒温磁力搅拌器中搅拌2h,温度控制在80~85∀,搅拌速度为1300r/ min。
用上述方法配制出含有均匀分散纳米碳酸钙、纳米铜粒子混合物的润滑油。
配制的实验油样包括:纳米碳酸钙与纳米铜粒子总添加量的质量分数分别为:0.2%,0.4%,0 6%, 0 8%,1.0%;而且纳米碳酸钙与纳米铜的质量分数之比分别为1 0,1 1,1 2,2 1,3 1及0 1,再加上不含纳米粒子的500SN基础油,共31种实验用油样。
用MRS 1J四球长时摩擦磨损试验机,分别测试油样的最大无卡咬负荷P B、磨痕直径WSD和摩擦系数 。
采用GCr15钢球, 12.7mm,HRc64~66。
磨痕直径和摩擦系数是同时测试的,磨痕直径由15J读数显微镜读出。
实验条件见GB/T12583-1998标准[11],磨痕直径的实验条件为在392N负荷下、摩擦30min。
使用SIRION200型场发射型扫描电镜(SEM)对实验钢球磨痕表面进行观察,并利用Digital Instru m ents Nanosco pe E型原子力显微镜(AFM)对纳米碳酸钙与纳米铜的总添加量的质量分数为0 6%,纳米碳酸钙与纳米铜的质量分数之比为1 1的油样,在392N负荷下、摩擦30min的钢球磨痕表面进行观察分析,用以研究摩擦表面纳米粒子的形貌与分布状态。
2 实验结果与讨论2.1 纳米粒子的形貌与粒径由图1a,b可见,纳米碳酸钙粒子与纳米铜粒子均呈颗粒状,纳米碳酸钙粒子与纳米铜粒子的平均粒径分别约为40nm与60nm左右,而且颗粒大小较均匀。
颗粒状的纳米粒子在摩擦表面可能会起微滚珠!的承载作用;也有可能会起填充磨损凹坑、修复与分割摩擦表面的作用[9,10]。
图1 纳米CaCO3(a)和C u(b)粒子的TEM形貌Fig.1 TE M m or phology of nan o CaCO3(a)and nano Cu(b)2.2 纳米添加剂的摩擦学性能表1为不同纳米碳酸钙与纳米铜粒子总添加量的质量分数以及不同的纳米碳酸钙与纳米铜粒子质量分数之比与摩擦学性能的关系。
从表1可看出,在500SN基础油中加入少量的纳米粒子(添加量在0 2%~1.0%)后均有效果;并且纳米碳酸钙和纳米铜粒子以混合物方式加入要比单独加入效果好。
从表中还可以看出,纳米碳酸钙和纳米铜粒子混合物的最佳的添加方式为:纳米碳酸钙与纳米铜粒子总添加量的质量分数为0.6%、纳米碳酸钙与纳米铜粒子质量分数之比1 1;此时的润滑油具有最佳摩擦学性能:最大无卡咬负荷P B=784N;磨痕直径WSD=0.34mm;摩擦系数 =0.0789。
摩擦学性能的实验结果表明,适量的纳米粒子加入后,由于纳米粒子充分覆盖摩擦表面,使在摩擦表面生成的油膜起到了更好的的抗磨、减摩作用;纳米粒子添加量过少或过多均不利于抗磨、减摩作用的充分发挥。
实验结果还表明,纳米碳酸钙和铜粒子可能在摩擦表面起不同的作用,纳米碳酸钙粒子可能以微滚珠!形式起承载作用为主;纳米铜粒子可能以填充!磨损凹坑、修复摩擦表面的作用为主。
两种纳米材料粒子达到适当比例,会相互配合、协同起到有效的抗磨、减摩效果。
2.3 磨痕表面SEM形貌分析图2a,b分别为不含纳米粒子的500SN基础油与纳米碳酸钙与纳米铜粒子总添加量的质量分数为0 6%,纳米碳酸钙与纳米铜粒子质量分数之比1 1的润滑油的实验钢球的表面磨痕形貌。
从图2a可以看出不含纳米粒子的500SN 基础油实验钢球的磨痕较粗、较深,表面有严重的金属粘附、剥落及金属转移痕迹。
图2b 中纳米碳酸钙与纳米铜粒子总添加量的质量分数0.6%,纳米碳酸钙与纳米铜粒子质量分数之比1 1纳米粒子混合物添加剂的润滑油的实验钢球表面的磨痕变浅、变细,几乎无明显粘附、剥落痕迹。
图2a,b 中通过对磨痕的SEM 观察分析也充分表明,纳米碳酸钙、纳米铜粒子混合物具有明显的抗磨、减摩效果。
图2 磨损钢球表面磨斑SEM 形貌 (a)500SN ;(b)W (CaCO3+Cu)=0.6%,W C aCO 3W C u =1 1Fig.2 S EM morphology of w ear scars of steel balls (a)500S N;(b)W (C aCO 3+C u)=0.6%,W CaCO 3 W Cu =1 1表1 纳米粒子用作润滑油添加剂的摩擦学性能T able 1 T r ibolo g ical pro per ties of nano par ticlesas additiv es in lubr icating o ilsM ass fraction ratio of CaCO 3and CuT ribological propertyM as s fraction of total additives (CaO 3an d Cu)/%0.20.40.60.8 1.01 0P B /N696726755726726W SD/mm0.480.450.430.450.500.10120.09590.08620.09890.11291 1P B /N726755784755755W SD/mm0.510.390.340.380.440.08050.08490.07890.09090.10872 1P B /N755726726726726W SD/mm0.450.440.420.460.480.10680.09620.08790.09690.11163 1P B /N784755755726726W SD/mm0.480.460.430.470.480.09890.10120.08950.09520.10761 2P B /N726726755696726W SD/mm0.500.490.450.480.490.10810.10920.09700.11190.10780 1P B /N667667696726726W SD/mm0.540.530.500.480.490.10870.10860.10920.10210.1115500S N (base oil)P B /N 392W SD/mm0.640.12052.4 磨痕表面纳米粒子的观察、分析本研究利用原子力显微镜(AFM )与场发射扫描电子显微镜对纳米碳酸钙与纳米铜粒子总添加量的质量分数为0.6%,纳米碳酸钙与纳米铜粒子质量分数之比为1 1纳米粒子的润滑油的钢球,在392N 负荷、摩擦30m in 条件下,钢球的摩擦表面上的纳米粒子的存在形态与分布情况进行了观察与分析,从而进一步探索纳米粒子添加剂的抗磨、减摩机理。