纳米润滑油添加剂的应用现状与展望

纳米润滑油添加剂的应用现状与展望朱光耀，朱冠军，顾彩香，李伟， 田晓禹，吉桂军(上海海事大学商船学院，上海200135)摘要:纳米颗粒作 为润滑油添加剂,因其具有优异的减摩、抗磨性能表现出了广阔的应用前景.介绍了纳米添加剂在润滑油中的分散稳定性方面的研究进展，综述了纳米添加剂在润滑油中的应用和在环保中的作用,探讨了纳米润滑油添加剂的抗磨减摩机理,展望了未来纳米添加剂的发展前景.关键词:纳米材料;添加剂;摩擦学性能;摩擦机理中围分类号:TE626.3文献标识码:A文章编号 :1005 8354(2009 )02-0030-04Application status and prospect of NM oil dope additiveZHU Guang-yao, ZHU Guan-jun, GU Cai -xiang, L Wei, TIAN Xiao-yu, JI Guijun(College of Merchant Marie, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, china)Abstract:The nanoparicles are used as the additive in the lubricants for their ellent ani-fictin & anti-wear properties , and hare a good future application. In this paper, the development of the research in the dis-persibilit and stability of nanodities in lubricans is introduced. The efet of the nanoditives in the pro-tect the enrvironment is summarised. The tribology mechanism is discussed. And the future dereloprment of nano-additives in lubricants are put fonward.Key words :nanophase materials; additive; tribology performance ; tribology mechanism0引言长期计划间。由于纳米材料具有比表面积大、高扩散纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳性 、易烧结性、熔点低、硬度大等特性,所以将纳米粒米尺度范围内,或由纳米基本单元构成的材料“".由子作为添加剂应用于润滑油中.会以不同于传统添加于纳米材料具有界面与表面效应、量子尺寸效应.小剂的作用方式起到减摩抗磨效果.这种新型润滑材料尺寸效应和宏观量子隧道效应,賦予了其不同于传统不但可以在摩擦表面形成一层易剪切的薄膜降低摩材料的各种独特性能,使其具备了特殊的光学、热学、擦因数, 而且还能对摩擦表面进行-定程度的填补和磁学、力学以及化学方面的特殊性能,从而使它在光修复,起到自修复作用”。因此,纳米润滑油添加剂具吸收、光电转换、传热磁记录催化燃料、涂料等方有突出的抗极压性能和优异的抗磨性,较好的润滑性面具有重要的应用价值和广阔的开发前景.能,适合在重载,低速、高温下工作.应用纳米材料添随着纳米技术的持续进展,纳米材料的研究和应加剂,对摩擦后期摩擦因数的降低可起到决定性作用范围也在不断扩大.纳米润滑材料作为有望率先得用,解决了常规载荷添加剂无法解决的问题.到大规模应用的品种之一,得到了世界各国的高度关论文总结和探讨纳米材料在润滑油中的分散稳注.如美国的“国家纳米技术计划( NNI)"中将设计和定性及应用现状、纳米添加剂的润滑机理,并对纳米制造能进行自修复的纳米材料作为可能取得突破的润滑材料的发展方向提出建议.收稿日期2008-10-14基金项目:上海巾教委科研项目(0672008);上海市教委重点学科建设项目(J50603)作者简介:朱光耀< 1981-) .男.硕士生,研究方向:摩擦学和轮机修造.中国煤化工30第二期2009年技术篇MYHCNMHG剂，且把吐温-20、吐温60、司班20和聚醚按质量比21纳米材料在润滑体系中的应用:2:1:1的比例搅拌均匀,使含CeO,和CaCO,纳米粒1.1纳米润滑添 加剂的分类.*子混合液的分散性和稳定性得到显著的提高.研究还目前用作润滑添加剂研究的纳米材料归纳起来发现聚醚可大大提高混合液的稳定性.张淑霞等”研主要有以下几类:究了TiO2的无机包覆,在TiO2表面包覆~层保护膜，1)纳米金属单质粉体使之与周围介质之间形成一道屏障,从而降低TiO2纳米金属单质粉体主要包括纳米铜、纳米铅、纳的光化学活性.有利于提高Ti02的分散性、耐候性、米锡、纳米锌等.抗粉化性.当然,选择表面活性剂不仅要考虑其油溶2)纳米碳材料及其衍生物.分散性,还要考虑表面活性剂解吸后在油中要有良好此类粉体中以富勒烯C。、纳米金刚石、纳米石的摩擦学性能.目前采用的表面修饰剂主要有:二烷墨碳纳米管最具代表性.基二硫代磷酸( DDP),烷基磷酸醋,硬脂酸,油酸，3)纳米氧化物EHA和含N有机化合物等利。此类添加剂包括如Fe,0,、Pb0 、Ti02等纳米粒1.3 纳米添加剂的摩擦学行为研究子从20世纪80年代至今,中外的科研人员对纳米4)纳米硫化物材料在摩擦学.上的应用进行了大量的研究工作,下面此类添加剂包括如MoS,、ZnS等纳米粒子.介绍从抗磨减摩性能和极压性能两个方面的进展.5)纳米硼系化合物1.3.1摩擦性能此类添加剂包括如硼酸钙、硼酸镁硼酸钛、硼酸A. Hemandez Battez 等:°]将Cu0,Zr02和ZnO纳铜等.米微粒分别添加到polyalphaolefin( pao6)中,并研究6)纳米稀土化合物其摩擦学性能,发现质量分数为0.5%的ZrO,和Zn0纳米稀土化合物包括LaF, .CeF,等纳米粒子.润滑油表现出最好的摩擦学行为,展现出最高的抗磨7)高分子纳米微球减摩价值而含氧化铜粒子的纳米润滑油,当质量分高分子纳米微球主要包括聚苯乙烯( PS)纳米微数为2%时表现出最好的协同效应和最低的摩擦效球、具有核壳结构的聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯果.赵修臣等10]在四球机上考察了添加不同体积分(PS/PMMA)纳米微球等.数的Sn纳米粒子润滑油的摩擦学性能,以添加纳米1.2纳米润滑添 加剂的分散稳定性研究Sn粒子的润滑油进行摩擦试验时.当添加的体积分无机纳米粒子油溶性差,一般是靠分散剂的作用数在0.025%-1.5%之间时，对应的磨斑直径和摩擦或借助强力搅拌超声分散将纳米粒子分散在基础油力 均低于基础油的磨斑直径和摩擦力.尤其当添加体中.但是由于纳米粒子具有比表面积大、表面能高、表积分数为0.1%的纳米Sn粉时.磨斑直径和平均摩面活性大、吸附作用强的特点、有强烈的不稳定性，因擦力均达到最小值;其中,摩擦力为2.36N,比基础油此纳米材料在润滑油中的分散及稳定成为限制其在的摩擦力降低了16.64%,而磨斑直径为0.47mm,比润滑油添加剂中应用的主要问题之一.研究人员采用基础油摩擦时的磨斑直径降低了38. 4%.刘仁德了多种方法消除纳米粒子的团聚现象,并取得了一定等"的研究结果说明,经过表面改性的纳米铜粒子的进展.能够有效地改善基础油的摩擦学性能.在26"白油中，科研人员采用钦偶联剂对纳米金刚石粉和石墨当纳米铜添加剂的质量分数为5.0%时,其磨斑直径进行改性处理,能够得到表面具有亲油单分子膜的纳值最小,为基础油的76. 6% ;添加剂含量减少时,磨米颗粒用作润滑油添加剂.研究表明,纳米微粒的表斑直径值略有增加,但均小于基础油的磨斑直径,说面改性能显著改善其在润滑油中的悬浮稳定性,表面明纳米铜有良好的抗磨能力.陈爽等12把油酸修饰改性的纳米微粒和多功能复合润滑油添加剂复配体PbS纳米粒子作为润滑油添加剂.可以明显提高基础系具有优异的抗磨减摩性和很高的承载能力9].油的减摩能力,而且摩擦因数随着负荷的增大略有减采用乳状液合成后相转移法,使制备的纳米粒子小趋势.当负荷为300时,可以使基础油摩擦因数降从水相转到油相,是解决纳米粒子在润滑油中的分散低33% ,而纯液体石蜡润滑下,不同的负荷时摩擦因稳定性问题的途径之一.上海海事大学顾彩香等'选数基中国煤化工择吐温-20,吐温60,司班-20和聚醚作为表面活性IYHCNMHG技术篇2009年第二期31李庆柱等”将粒径为20-30nm的La20,粒子加化合物.提高石墨在摩擦表面的附着力而形成复合.入到5O0SN的基础油中.使润滑油具有优异的极压性膜;胡泽善等”)认为硼酸铜颗粒在摩擦表面发生摩能当添加的粒子质量分数为0.8%时,Pp值提高了擦化学反应,生成了由B,0,及FeB等组成的表面保40. 8% .郭志光等“41的研究表明有机钼及其复合纳护膜.这种情况可以理解为纳米颗粒在摩擦作用、摩米润滑添加剂对于钢/钢摩擦副具有优异的抗磨减摩擦化学作用和摩擦电化学作用下,摩擦副与润滑材料作用,并具有良好的抗极压性能.用N68ME添加剂之间产生能量交换 和物质交换.从而在摩擦表面上形时,其P。值达到1250N,经过2h后摩擦副的磨损量成保护膜,起到抗磨臧摩作用;刘维民”认为由于在几乎为0.张志梅等[°将粒径为20-30nm的铜或锡加摩擦过程中形成了纳米颗粒沉积膜以及由润滑剂活人到QD30润滑油中,润滑油的极压性能有所提高，性元素同金属摩擦副表面相互作用生成的摩擦化学如把纳米铜与纳米锡- - 起加入,润滑油的极压性能提反应膜,二者组成复合边界润滑膜,从而有效地提高高更加显著.董凌等i6)在给定的试验条件下,合成的润滑剂的摩擦学性能.SiO2/MgO复合纳米粒子添加剂具有优良的极压抗磨2.3 修复作用理论减摩性,其添加量在500SN基础油中有一最佳值,当这种理论认为由于纳米粒子粒径小,在压应力的添加质量分数大于10%时,四球试验后钢球的磨斑作用下易于沉积于磨损表面微观缺陷区域,从而对磨直径最小,P。值最高.损表面起到修复作用. (1)如CuS纳米颗粒121等极细的纳米颗粒可以填充在工作表面的微坑和损伤部位;2纳米润滑油添 加剂的作用机理(2)郭延宝等2人提出如果摩擦磨损的零件某项指纳米润滑材料作为添加剂具有明显的减摩抗磨标能够反映其新旧程度,并且在添加修复剂后其旧态作用,但其作用机理有待于进一- 步深人研究论证.对指标向新态指标转变,那么就可判定修复剂有自修复其作用机理的分析,目前主要有以下几种理论.效果.卓洪等“在这个观点下做了以下实验:利用高2.1“ 滚珠轴承"作用理论精度液压式往复试验机研究了纳米羟基磷酸钙、纳米这种理论认为纳米粒子尺寸较小，近似球形,在二氧化钛纳米氮化钛三种纳米舔加剂润滑条件下摩擦副间可以起到微型球轴承的作用,减少了摩擦阻GCr15/45钢对摩时的摩擦磨损性能,通过扫描电子力,降低了摩擦因数,减少了磨损,从而提高了摩擦表显微镜和EDX能谱对磨斑进行了微观分析.并得到面的润滑性能.了如下的结论:a.纳米润滑添加剂可以降低摩擦副摩顾卓明等"7]认为纳米材料粉末颗粒近似为球擦因数和材料磨损量,表现出优良的抗磨损性能;b.形,它们起类似微型“球轴承"的作用,从而提高了摩三种纳米添加剂具有不同的自修复机制.其中,纳米擦表面的润滑性能.李宝良等[旧]认为润滑油最大无羟基磷酸钙和纳米二氧化钛的修复机制主要为铺展卡咬负荷的大幅提高,可以认为是纳米粒子在摩擦表成膜自修复,而纳米氮化钕为铺展成膜自修复和原位面起支撑负载荷的“滚珠轴承”作用,即纳米粒子的摩擦化学自修复并存;c.纳米氮化钛的自修复效果最尺寸小可以近似看作球型,在摩擦副间像鹅卵石~佳 ,纳米二氧化钛的自修复性能最差.样,起支撑负荷的“滚珠轴承"作用而提高润滑油的抗磨抗极压性.3纳米润滑油 添加剂在环保方面的作用这种“滚珠轴承"的摩擦机理目前还缺乏进一步.金属纳米添加剂对于环境保护的作用体现在它的实验支持.所具有的如下优点:当存在化学展蚀气氛、油中有害2.2薄膜理论杂质或酸性蒸汽时.金属纳米微粒形成的摩擦表面膜薄膜理论认为在摩擦过程中纳米粒子在摩擦副还起到一个隔绝保护的作用.金属微粒良好的导热性上形成了一层纳米薄膜.纳米薄膜的性能不同于一般可保证高速运动时摩擦热的快速散发,摩擦界面不会的薄膜,它的韧性,抗弯和强度均大大优于- -般薄膜.产生过热.纳米金属微粒膨胀系数与摩擦副材料接这层膜减小了摩擦,提高了承载能力,从而减轻了磨近.使得摩擦零件不会由于温度升高而导致公差显著损.变化.金属添加剂一般不含重金属,因此润滑油的排楚金凤等(叫认为石墨微细分散于润滑油中显著放物不会带来环境污染.改善极压工况下的润滑特性,油膜承载能力明显提中国煤化工剂，能够在金属表高.摩擦过程中石墨吸附含有活性元素或活性基团的面吸物质,并将它们有MHCNMHG32第二期2009年技术篇效地分散在润滑油中,清洁发动机此外,CaCO,纳米进展[J].材料学报,2001 ,14(8): 28-30.粒子能中和润滑油使用过程中产生的硫酸.防止沉积[9] A. Hem? andezr Batter, R. Gon? alez, et al. CuO,物的形成和出现锈蚀.ZrO2 and ZnO nanoparticles a antiwear addive in oillubricants[ J}.wear ,265(2008) :422 428.而稀土纳米粒子如La20,纳米粒子在作为润滑[10]赵修臣,宜瑜,刘颖,张弛.纳米Sn粒子的制备及其油添加剂的作用则体现在可减少尾气排放等方面.作润滑油添加剂的摩擦学性能研究[J].润滑与密封,2007(1) :108-110.4.展望纳米颗粒作为润滑油添加剂，因其具有优异的减[11]刘仁德,梁敬辉陶德华,表面修饰纳米铜粒子的制备及其摩擦学性能[J].润滑与密封, 2007(3): 161-摩抗磨性能表现出了广阔的应用前景.为进-步推164.动该领域研究的发展,作者认为今后还应在以下方面12]陈爽,刘维民.油酸修饰PbS纳米粒子作为润滑油添继续开展工作:加剂的SEM研究[J].五邑大学学报,自然科学版,1)活性剂的选择是解决纳米粒子在润滑油中的2005 ,19(1):4-7. .分散及稳定性的重要突破口,也是纳米添加剂能够实[13]李庆柱,顾彩香顾卓明等纳米La.0, 作为润滑油际应用的前提.研究纳米颗粒与其它添加剂的配伍情添加剂的抗磨减摩性能研究[J].航海技术,2008况,即加强纳米颗粒与油品兼容性方面的研究.(2)66-68.2)纳米润滑油的减摩抗磨机理现在有很多种,虽[14] 郭志光,顾卡丽,徐建生,等有机钥及其复合纳米润然有些已经应用于解释各种抗磨减摩现象,并取得了滑添加剂的摩擦磨损性能研究[J].摩擦学学报，一定的成果,但还缺乏进-步的实验验证.2005 ,25(4) :317-319.3)对纳米润滑材料的研究,从发展趋势来看,应[15]张志梅，古乐,齐毓霖.等纳米级金属粉改善润滑油摩擦性能的研究[J].润滑与密封,2000,(2) :37-40.当注意深入系统地研究纳米颗粒组成、粒径、修饰剂[16]董凌,陈国需,方建华,等. SiO2/MgO复合纳米添加成分等对润滑剂性能的影响.探讨抗磨或“自修复"剂的摩擦学和磨损修复性能研究[J].润滑与密封,机制,以指导纳米润滑添加剂的研究开发.同时还应2005(5) :26-28.进一步设计和发展具有良好抗磨性能、提高承载能[17]顾卓明,顾彩香,王仁兵,等纳米碳酸钙用作润滑油力、对磨损表面具有一定磨损修复功能、对环境无污添加剂的研究[J].上海海运学院学报,2003 ,24(3):染或少污染的新型纳米润滑油添加剂,以满足高科技227-231.应用和环保方面的需要.[18]李宝良,余安,江亲瑜.纳米润滑油添加剂摩擦学性能试验研究[J].大连铁道学院学报,2005 ,26(4):22-参考文献:2[1]袁哲俊.纳米科学与技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业 [19]楚书凤,金芝珊,薛群基.天然鳞片石壘与油溶性添大学出版社,2005.加剂相互作用的研究[J].摩擦学学报,1997.17(4):[2]王晓勇,陈月珠纳米材料在润滑技术中的应用[J].340-347.2001 ,15(2) :27-30.[20]胡泽善,王立光,黄令,等.纳米硼酸铜颗粒的制备及[3]欧文忠,徐滨士,马世宁,等.纳米材料在表面工程中其用作润滑油添加剂的摩擦学性能[J].摩擦学学应用的研究进展[J].中国表面工程,00,13(2):5-报,2000 ,20(4) :292-295.{21]刘维民.纳米颗粒及其在润滑油脂中的作用[J].摩[4]施利毅.纳米材料[M].上海:华东理工大学出版社.擦学学报,2003 ,23(4) :265-267.[5]乔玉林.纳米微粒的润滑和自修复技术[M].北京: [22]王九,陈波水,候滨,等.润滑油中CuS纳米粒子的摩国防工业出版社,2005.擦学性能研究[J].润滑与密封,2001(2) :42-43.[6] Caizing Gu, Qingzhu Li, Zhuoming Gu, et al Study [23] 郭延宝,徐滨士,许一.原位检验润滑油添加剂自修on the Application of CeO2 and CaCO, Nanopaticles in复性能的方法探讨[J].润滑与密封, 2005(3): 68-Lubricating Oils[J], Joumnal of Rare Earths, 2008 ,2669(2): 163.167.[24]卓洪,王文健，刘启跃.不同纳米添加剂下GCr15/45[7]张淑霞,李建保,张波,等TiO颗粒表面无机包覆的钢自修复性能研究[J].润滑与密封,2007(8); 46-研究进展[J].化学通报,2001(2) :71-75.中国煤化工[8]欧文忠,徐滨士,丁培道,等纳米润滑材料应用研究MYHCNMHG技术篇2009年第二期33