（车辆工程专业论文）车用纳米润滑油添加剂抗磨减摩分子动力学模拟和试验分析.pdf

q l l l l l l l l l l ll l l l l llllllllllllll l l l l l l l l l l y 17 4 5 5 5 4 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n gs c i e n c e m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nf o ra n t i - - w e a r f r i c t i o no fn a n o - l u b r i c a t i n go i la d d i t i v e sa n dt e s t a n a l y s i s c a n di d a t e ：l i uf a n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i o n gr u i j u n e ，2 0 1 0 s c h o o lo fe l e c t r o - - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，pr c h i n a 。5 10 0 0 6 摘要 摘要 润滑油是机械运转的血液，发动机要正常工作就需要润滑油，而润滑油的性 能又是与添加剂的选用密切相关的。润滑油和添加剂的发展经历了从初期的适应 发动机要求，转变到需要更广泛地适应环保与节能的要求。将纳米颗粒应用于润 滑系统是一全新的研究领域，尚处在研究的初级阶段。在二十世纪九十年代初， 国内外一些学者相继开始了这方面的研究工作，对各种纳米颗粒材料作为油品添 加剂所起到抗磨减摩作用作了一些考察验证工作，结果发现纳米颗粒的加入有助 于改善润滑油的摩擦学性能，认为纳米颗粒在润滑油领域中具有广阔的应用前 景。 本文主要由三大部分组成，即分子动力学方法系统介绍、分子动力学模拟研 究分析以及发动机台架试验。首先，系统地介绍分子动力学方法的基本原理，建 立基本方程以及原子间相互作用势函数等数学模型：详细说明分子动力学模拟中 的初始条件与边界条件，时间积分算法与时间步长的选取，并介绍不同系综下的 分子动力学模拟以及如何节省计算时间的方法。其次，对纳米金属颗粒的热力学 性质进行分子动力学模拟分析，研究不同直径纳米粒子的热力学性质，讨论纳米 粒子的熔点随其尺寸的变化；应用分子动力学方法，构建了摩擦副模型，对纳米 粒子在摩擦过程中的微观运动机制以及抗磨减摩机理进行细致分析，从而得出其 摩擦磨损规律等。最后，通过研究分析，有针对性地选择不同纳米颗粒配合使用 作为润滑油添加剂，以达到互补的作用；在发动机台架上对汽油机使用含与不含 润滑油添加剂的机油时进行等工况下负荷特性和外特性对比试验研究，并对试验 结果进行分析。 通过本文的研究，进一步证实了纳米粒子熔点随纳米粒子尺寸单调增加，并 逐步向大块晶体过渡；在摩擦过程中，利用摩擦作用所带来的热量使纳米粒子熔 化并随后沉积在摩擦表面，对摩擦表面进行修补或者形成均匀保护膜，由此起到 抗磨、减摩作用。可以得出纳米颗粒抗磨减摩机理不同于传统的油性剂和极压剂， 而是通过改变摩擦方式、表面修复等来减小摩擦磨损。采用分子动力学理论，对 f e f e 和f e c u 两种摩擦副的抗磨减摩性能进行了计算模拟，对计算得到的磨损 广东工业大学硕士学位论文 量与模拟时间和载荷曲线的变化趋势进行了分析，表明存在有中间纳米c u 润滑 层的f e c u 摩擦副表现出很好的摩擦性能；为研究摩擦磨损的微观动态行为与变 化，认识抗磨减摩机理，提供了一种新方法。试验研究结果表明：在发动机台架 上对汽油机使用含有纳米润滑油添加剂的机油，其输出转矩和节油率将得到提 高。 关键词：纳米；润滑油；添加剂：分子动力学模拟；摩擦磨损；发动机性能 i i a b s t r a c t a b s tr a c t o i li st h eb l o o do ft h em e c h a n i c a lo p e r a t i o n ；t h ee n g i n en e e d st ow o r ko nt h e l u b r i c a t i n go i l ，w h i l et h ep e r f o r m a n c eo fl u b r i c a n t si sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ec h o i c eo f a d d i t i v e s t h ed e v e l o p m e n to fl u b r i c a n t sa n da d d i t i v e se x p e r i e n c ef r o mt h ei n i t i a l r e q u e s tt oa d a p tt h ee n g i n et oa d a p tt ot h en e e df o rm o r ee x t e n s i v ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n gr e q u i r e m e n t s n a n o - p a r t i c l e su s e di n t h e l u b r i c a t i o n s y s t e mi sac o m p l e t e l yn e w a r e ao fr e s e a r c h ，b u ts t i l li nt h ei n i t i a ls t a g eo ft h es t u d y i n t h et w e n t i e t hc e n t u r yo ft h ee a r l yn i n e t i e s ，an u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s h a v eb e g u nr e s e a r c hi nt h i sa r e aw o r ko nav 撕啊o fn a l l o - p a r t i c l em a t e r i a l sa so i l a d d i t i v e s ，t h er o l ep l a y e db yf r i c t i o nw e a rh a v em a d es o m ei n s p e c t i o nv e r i f i c a t i o na n d f o u n dt h a tn a n o - p a r t i c l e sh e l pt oi m p r o v et h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fl u b r i c a t i n go i l a n da l s ot h i n kt h a tt h ef i e l do fn a n o - p a r t i c l e si n t h e l u b r i c a t i n go i lh a sb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h i sp a p e rc o n s i s t so ft h r e em a j o rc o m p o n e n t s ，n a m e l y , s y s t e m a t i ci n t r o d u c t i o no f m o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d , m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nr e s e a r c ha n da n a l y s i sa s w e l la s e n g i n et e s tb e d f i r s t , as y s t e m a t i c i n t r o d u c t i o nt h eb a s i cp r i n c i p l e so f m o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d ，a tt h es a m et i m ee s t a b l i s ht h eb a s i ce q u a t i o n sa n dt h e i n t e r a c t i o np o t e n t i a lf u n c t i o nb e t w e e na t o m s ；d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o fm o l e c u l a r d y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h ei n i t i a lc o n d i t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t i m ei n t e g r a t i o n a l g o r i t h m 、衍t ht i m es t e ps e l e c t i o na n di n t r o d u c e du n d e rd i f f e r e n te n s e m b l e so f m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n s ，a n da l s oh o wt os a v ec o m p u t i n gt i m ea p p r o a c h s e c o n d l y , u s i n gt h em o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nt oa n a l y z et h et h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e s o fl l a n o m e t a l p a r t i c l e s s i m u l a t i o no fd i f f e r e n td i a m e t e r so ft h e t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fn a n o - p a r t i c l e s ，t od i s c u s st h e m e l t i n gp o i n t o f n a n o - p a r t i c l e sw i t ht h es i z eo ft h ec h a n g e ；a p p l i c a t i o no fm o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d t oc o n s t r u c taf r i c t i o np a i rm o d e li no r d e rt oa n a l y s i st h ep r o c e s so fm i c r o m o t i o n m e c h a n i s mi nt h ef r i c t i o n , a n da n t i - w e a rm e c h a n i s mo fa n t i f r i c t i o nt h e na r r i v ea tl a w s i i i 广东工业大掌硕士学位论叉 o ff r i c t i o na n ds oo n t h ef i n a la d o p t i o no fr e s e a r c ha n da n a l y s i si nat a r g e t e dm a n n e r w i t ht h ec h o i c eo fd i f f e r e n tn a n o p a r t i c l e su s e da sal u b r i c a n ta d d i t i v e ，i no r d e rt 0 a c h i e v eac o m p l e m e n t a r yr o l e ；i nt h ee n g i n eb e n c ho ft h eg a s o l i n ee n g i n el u b r i c a t i n g o i lc o n t a i n i n ga d d i t i v e s 晰ma n dw i t h o u to i lw i l lb eu s e d ，o p e r a t i n gc o n d i t i o n ss u c ha s l o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p a r a t i v ep i l o tw i l ls t u d i e da n di t s r e s u l t sa n a l y z e d t h r o u g ht h es t u d yo ft h ep a p e r , f u r t h e rc o n f i r m e dt h em e l t i n gp o i n t o f l l a n o - p a r t i c l e sw i t hn a n o p a r t i c l es i z ei n c r e a s e sm o n o t o n i c a l l ya n dg r a d u a l l yt r a n s i t i o n t ot h eb u l kc r y s t a l ；i nt h ef r i c t i o np r o c e s s ，t h ef r i c t i o na r i s i n gf r o mt h eu s eo fb e a tt o m e l ta n dt h es u b s e q u e n td e p o s i t i o no fn a n o - p a r t i c l e si nt h ef r i c t i o ns u r f a c e ，t h ef r i c t i o n s u r f a c eo ft h ep a t c ho rt h ef o r m a t i o no fu n i f o r mp r o t e c t i v ef i l m , t h u sp l a yw e a r , f r i c t i o n - r e d u c i n g e f f e c t i tc a nb ed r a w nt h a ta n t i - f r i c t i o nw e a rm e c h a n i s mo f n a n o - - p a r t i c l e si sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lo i l - b a s e da g e n t sa n de x t r e m ep r e s s u r e a g e n t s ，b u tb yc h a n g i n gt h ew a yo ff r i c t i o n , s u r f a c er e p a i rt or e d u c et h ef r i c t i o na n d w e a l u s i n gm o l e c u l a rd y n a m i c st h e o r y , u s i n gc o m p u t e rt os i m u l a t et w ok i n d so f f r i c t i o np a i ro fa n t i w e a rf r i c t i o np r o p e r t i e so ft h ele | 淹ea n df e c u , t oc a l c u l a t ea n d a n a l y z et h ew e a r v o l u m ea n ds i m u l a t i o nt i m ea n dt h et r e n do fc h a n g e si nl o a dc u r v e s ， i n d i c a t et h ee x i s t e n c eo ft h em i d d l el a y e ro fn a n o - c u - l u b r i c a t i n gf e c uf r i c t i o np a i r s h o w e dg o o df r i c t i o np e r f o r m a n c e ；t os t u d yt h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h em i c r o - f r i c t i o n a n dw e a ra n dc h a n g e ，u n d e r s t a n d i n ga n t i w e a l f r i c t i o nm e c h a n i s mp r o v i d e san e w a p p r o a c h t h r o u g hr e s e a r c ha n da n a l y s i si nat a r g e t e dm a n n e rw i t ht h ec h o i c eo f d i f f e r e n tn a n o - p a r t i c l e su s e da sal u b r i c a n ta d d i t i v e ，i no r d e rt oa c h i e v ec o m p l e m e n t a r y , r e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h ee n g i n eb e n c ho ft h eg a s o l i n ee n g i n el u b r i c a t i n go i la d d i t i v e s c o n t a i n i n gn a n o - o i l ，t h eo u t p u tt o r q u ea n df u e le f f i c i e n c yr a t ew i l lb ei m p r o v e d k e yw o r d s ：n a n o c r y s t a l l i n e ；l u b r i c a t i n go i l ；a d d i t i v e s ；m o l e c u l a rd y n a m i c s s i m u l a t i o n ；f r i c t i o na n dw e a r ；e n g i n ep r o p e r t y i v 摘要 a b s t r a 目录 c o n t e n 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 8 2 9 3 0 3 0 3 2 ：；：； 3 7 ：；8 3 8 4 0 4 0 4 0 4 3 4 4 4 5本章小结4 6 第五章车用发动机台架试验4 7 5 1试验目的4 8 5 2试验用仪器和设备4 9 5 3试验项目和试验方法5 0 5 4试验结果及分析51 5 5结论5 4 第六章总结及展望5 6 6 1全文总结5 6 6 2 进一步工作展望5 7 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 7 独创性声明6 8 致谢6 9 v i c o n t e n t s c o n t e n t s c ：h i n e s e a b s t r a c t i a b s t r a c t c h i n e s ec o n t e n t s 1 u r c o n t e n t s ： c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o no f n a n o - m a t e r i a l s 1 1 2 s p e c i a le f f e c ta n dc l a s s i f yo f n a n o - m a t e r i a l s 1 1 2 1 s p e c i a le f f e c to f n a n o m a t e r i a l s 1 1 2 2 c l a s s i f yo f n a n o m a t e r i a l s 2 1 3r e l a t e df e a t u r eo fn a n o m a t e r i a l sa sl u b r i c a n ta d d i t i v e 3 1 4r e s e a r c ha c t u a l i t ya n da p p l i c a t i o ne f f e c t 4 1 4 1r e s e a r c ha c t u a l i t y 4 1 4 2 a p p l i c a t i o n e f f e c t 5 1 5f r i c t i o na n dw e a ro f v e h i c l e 7 1 6 p u r p o s e s ，s i g n i f i c a t i o na n dm a i nc o n t e n t so f t h es t u d y 。8 c h a p t e r 2 m ds i m u l a t i o nt e c h n i q u e 1 1 2 1i n t r o d u c t i o n 11 2 2 t h ek e y s t o n eo fm ds i m u l a t i o n 12 2 3p o t e n t i a lf u n c t i o n 13 2 3 1 l e n n a r d - j o n e sa n dm o r s ep o t e n t i a l 1 4 2 3 2e m b e d d e d a t o mm e t h o d ( e a m ) 1 6 2 4b a s i cp r o c e s so fm ds i m u l a t i o n 18 2 4 1 o b j e c ta n dd e p a r t m e n to fr e s e a r c h 1 8 2 4 2t h ei n i t i a lc o n d i t i o n sa n db o u n d a r yc o n d 【i t i o n s 19 2 4 3 i n f i n i t u d ep r o c e s s 2 2 2 4 4 e s t a b l i s h i n gt h eb a s i ce q u a t i o n s 2 3 v i i 4 5c o n c l u s i o no ft h i sc h a p t e r 4 6 c h a p t e r 5 t h eb e dt e s to f e n g i n e 4 7 5 1 p u r p o s e so f t h et e s t 4 8 5 2 i n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t so f t h et e s t 4 9 5 3 p r o j e c t sa n d m e t h o d so f t h et e s t 5 0 1 ；4r e s u l t sa n da n a l y s i s 51 1 ；5c o n c l u s i o n 5 4 c h a p t e r6s u m m a r ya n d o u t l o o k 5 6 6 1 s u m m a r y 5 6 第一章绪论 1 1 纳米材料简介 第一章绪论 广义上讲，纳米材料是指晶粒或界面等显微构造达到纳米尺寸水平 的材料3 。纳米晶粒内部的微观结构与传统的晶体结构基本一致，但是， 每个晶粒含有有限个晶胞。由于晶粒细小，使其晶界上的原子数多于晶 粒内部，即产生高浓度晶界，因而使纳米材料呈现出与常规粗晶材料不 同的性能，既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的独特的表面效 应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等奇异性能，表现 出许多特有的性质，在杀菌、吸收、催化、医药、化工等方面有广阔的 应用前景。 按照材料的形态，将纳米材料分为纳米颗粒型材料、纳米固体材料、 纳米膜材料与纳米涂层，以及纳米磁性液体材料等四种。由于纳米颗粒 具有比表面积大、表面活性高、吸附能力强、硬度高和熔点低等奇异性 能，因此，以纳米颗粒作为新型添加剂应用于润滑系统中，将会以不同 于传统抗磨减摩添加剂的作用方式减小摩擦磨损。 1 2 纳米材料的特殊效应及分类 1 2 1 纳米材料的特殊效应 纳米材料的特殊结构使它具有宏观物体所不具有的四大效应：表面 ( 界面) 效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，从而 具有传统材料所不具备的物理化学特性。 小尺寸效应妇1 ：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性 质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸 广东工业大学硕士学位论文 言，尺寸变小，导致周期性边界条件破坏，同时其 ，从而产生一系列新奇的性质。 表面效应阳一1 ：由于球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积 与直径的立方成正比，其比表面与直径成反比。随着颗粒尺寸的变小， 比表面积将会显著地增加。使处于表面( 界面) 的原子数越来越多，原 子配位不足，同时表面能及界面结合能迅速增加，从而使这些表面( 界 面) 原子具有高的活性，极不稳定。并且，界面上的原子排列相当混乱， 原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的 延展性，使材料具有新奇的界面效应。 量子尺寸效应1 ：大块材料的能带可以看成是连续的，而介于原子 和大块材料之间的纳米材料的能带将分裂为分立的能级。能级间距随颗 粒尺寸的减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还 小时，就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特征，称之为量子 效应。例如随着纳米粒子的直径减小，能级间距增大，电子移动困难， 电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体等。 宏观量子隧道效应拍1 ：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。 近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件 中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒 而发生变化，故称为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基 础研究和应用都有着重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息储存的 时间极限，其与量子尺寸效应将是未来微电子器件的基础。 1 2 2 纳米材料的分类 纳米结构材料的分类方法很多，按其形态可分为四类： ( 1 ) 零维纳米材料，指空间三维尺度均在纳米尺度的材料，如原 子团簇等； ( 2 ) 一维纳米材料，指在空间三维尺度有两维处于纳米长度，如 纳米丝、纳米管等； ( 3 ) 二维纳米材料，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄 2 第一章绪论 膜、多层膜、纳米带等； ( 4 ) 三维纳米材料，指由纳米晶粒构成的多晶体材料。 1 3 纳米材料作为润滑油添加剂的相关特性 润滑油是机械运转的血液，发动机要正常工作就需要润滑油，而润 滑油的性能又是和添加剂的选用密切相关的。润滑油和添加剂的发展经 历了从初期的适应发动机要求，转变到需要更广泛地适应环保与节能的 要求。在润滑油中加入减摩剂可以提高其抗磨性能，减少摩擦阻力，延 长机器部件的使用寿命。目前减摩、抗磨添加剂的品种繁多，但大体可 分为两类：类为油溶性有机化合物，它们易与润滑油结合，可均匀地 加入各类润滑油中，有效改变润滑油的品质，但在摩擦过程中可能产生 有害成分，特别是当温度较高时，可能对有色金属( 如银、锡) 的轴承 材料起腐蚀作用；有些油溶性有机添加剂易分解消耗，需不断补充。另 外这种添加剂的合成工艺复杂，有些产生化学污染，使其发展受到一定 限制。另一类为固体润滑剂型，是由一些具有层状或鳞化结构( 如胶体 二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯等) 以及p b 、c u 等一些软金属的固体颗 粒均匀地分散于润滑油中形成的。它们的润滑效果较好，但一般存在着 在润滑油系统中分散性和稳定性不好、长期存放易沉淀等问题。 由于纳米粒子具有小尺寸效应和表面效应等特性，因此以纳米粒子 为基础制备的新型润滑材料应用于摩擦系统中，将以不同于传统添加剂 的作用方式起减摩抗磨作用，同时可以解决许多传统润滑剂无法解决的 难题。人们曾对几种纳米粒子的摩擦学行为进行了研究，证明了纳米粒 子具有极好的摩擦学性能1 。它可以克服以往传统润滑添加剂的不足， 综合了流体润滑和固体润滑的优点，因而会使润滑油产生革命性的变化。 一些具备优良性能的固体润滑剂添加剂在润滑油中难以长时间稳定分 散，若将它们的粒径减小达到纳米级，就可以使其更均匀、稳定地分散 在润滑油中。纳米级的添加剂颗粒更容易进入摩擦表面，而且由于表面 能的增加，可能形成更厚、易剪切的表面膜，使摩擦副表面很好地分离， 提高减摩抗磨效果。纳米级的添加剂不但可以在摩擦表面成膜，降低摩 复，起到抗磨作 粉末( 例如：纳 属粉末( 例如： t i 0 2 、s i 0 2 和纳 果 尚处在研究的初 开始了这方面的 抗磨减摩作用做 改善润滑油的摩 这种新型润滑材 料是通过在摩擦表面的微滚动，或形成一层易剪切的薄膜来降低摩擦系 数的，并且可以对摩擦表面进行一定程度的填补和修复，对其作用机理 也作了一些推测，主要有三种观点 。1 们。 纳米颗粒摩擦学机理分析： 1 支承负荷的“滚珠轴承 作用 ( 1 ) b h u s h a n 等人。1 3 1 研究了富勒烯( c 6 0 ) 作为固体润滑剂的作 用机理，认为c 6 0 由于具备中空对称的球状结构，表面能低，化学稳定 性高，其分子链异常稳定，在摩擦过程中容易沉积在摩擦金属表面，形 成沉积膜，并且由于c 6 0 的球形结构使其可以在摩擦副间自由滚动，起 到了减磨抗摩作用。 ( 2 ) 徐涛3 将超分散金刚石粉末( u d p ) 纳米粒子作为润滑油添加 剂进行摩擦磨损实验。发现u d p 纳米粒子具备优良的载荷性能和抗磨减 摩能力，尤其能在大载荷作用下发挥效力。他认为纳米粒子尺寸较小， 可看成近似球形，在摩擦副间可像鹅卵石一样自由滚动，起到支承负荷 的作用，从而使润滑膜的耐磨性提高。 4 第一章绪论 ( 3 ) 沈明武等人n 引采用炸药爆轰法制备的超细金刚石( u d p ) 纳米 颗粒作为基础油的添加剂进行试验，结果发现，在薄膜润滑状态下，分 散在润滑油中的球型纳米颗粒通过颗粒粒径和增粘效应使润滑剂的油膜 增厚，通过微滚动效应使摩擦系数减小。 2 膜润滑作用 。 ( 1 ) 薛群基等人n 引用表面修饰的t i 0 2 纳米粒子添加在基础油中， 进行四球机摩擦磨损实验，发现表面修饰的纳米二氧化钛所显示的良好 的抗磨能力及良好的载荷性能，是由于二氧化钛纳米粒子在摩擦表面形 成一层抗高温的边界润滑膜。 ( 2 ) 陈爽等人7 1 以沉淀法合成的粒径3 n m 5 r i m 的二烷基二硫代磷 酸修饰的p b s 纳米粒子，在四球机上考察其在润滑油中的摩擦行为。认 为其具有良好的抗摩效果，这得益于摩擦过程中的高温高压导致p b s 纳 米粒子熔化，并在摩擦表面形成了致密的边界润滑膜。 3 表面修复作用 ( 1 ) 姜秉新1 将纳米铜加到基础油中，观察非活性铜剂的修复作 用，结果发现，在一定负荷和温度下，铜剂在摩擦表面生成单质铜并沉 积，同时与基体金属及磨损微粒熔合重组共晶焊接在磨斑表面，形成修 复膜，使磨损得到一定补偿。 ( 2 ) 胡泽善n 们用溶胶一凝胶法合成、乙醉超临界流体干燥技术得 到粒径约为2 0 n m 的t i 0 2 的微粒和粒径约为1 0 n m 7 0 r i m 的t i 3 ( b 0 3 ) 2 微 粒加到润滑油中，考察其抗磨减摩性，结果发现，纳米粒子添加剂的存 在对摩擦后期摩擦系数的降低起决定性作用。通过摩擦副的微观表面分 析认为，纳米粒子添加剂对摩擦副凹凸表面有填充作用。 1 4 2 纳米材料在润滑剂中的应用效果 1 4 2 1纳米金属粉末 随着微观摩擦学的进展，纳米级金属粉作为新型固体润滑剂在近年 得到了广泛的研究，有研究结果表明纳米级金属粉体作为添加剂加入润 广东_ y - _ l k 大学硕士学位论文 滑油中表现出极好的极压性能心引。在含金属固体润滑剂中应用较多的包 括许多软金属，如铜、铅、锡、锌等他，这些软金属具有剪切强度低， 能发生晶间滑移的特点，只要在基材表面有零点几微米厚的膜就能起到 润滑作用引。目前国内外对超微金属粉固体添加剂的研究力度正在不断 加大，把超微金属或其合金均匀分散在油中，对润滑油的流动性没有影 响，而且可以附着在发生摩擦的机器部件表面，经长时间的运行后形成 牢固的附着膜，起到分离摩擦副、减小磨损的作用。即使是更换新的润 滑油，这层膜依然可以牢固地附着在材料表面。它们的另外一个优点是 膨胀系数与大多数金属接近，在温度或其他工作条件变化时仍能牢固附 着。例如纳米c u 可在摩擦表面沉积并与基体金属及磨损微粒熔合重组 共晶焊接在磨斑表面，形成修复膜，使磨损得到补偿，而且该修复膜的 产生可提高发动机动力，减少发动机的油耗。据报道心引，俄罗斯科学家 将纳米铜或铜合金粉末加入润滑油中，可使润滑性能提高10 倍以上，并 能显著降低发动机零部件的磨损，提高燃料效率，改善动力性能，降低 排放，延长使用寿命，这对机械、航空、船舶、汽车、国防等行业和环 境污染治理等都具有极大的现实意义。表1 为几种固体润滑剂与纳米粉 末添加剂的性能比较。 表1 1 为几种固体润滑剂与纳米粉末添加剂的性能比较 t a b l e1 - 1t h ec o n t r a s to fs o i t i es o l i dt u b r i c a n tg r e a s ea n dn a n o m e t e ra d d i t i v e 日本的h i s a k a d o 和我国的夏延秋们将1 0 n m 5 0 n mc u 粉、n i 粉、 b i 粉添加剂添到石蜡基基础油中进行抗磨减摩性能试验，发现摩擦系数 可降低1 8 ，磨痕密度可降低3 5 - - 5 0 。可见纳米金属粉末具有明显 的改善润滑油的抗磨减摩性能的效果。 6 第一章绪论 1 4 2 2 纳米无机盐与纳米金刚石粉末( d n p ) 纳米无机盐中尤其是碱土金属硼酸盐( 如硼酸铜、硼酸钙、硼酸镁、 硼酸钛等) 作为添加剂具有优良的摩擦学性能，而且不污染环境也不腐蚀 金属。此外，碳酸镁、碳酸钙、碳酸钡等还保持碱性基团，这些碱性基 团能有效地中和发动机润滑油使用过程中产生的硫酸、有机酸等酸性物 质，从而防止沉积物的生成及锈蚀现象的出现。但是目前的研究还处于 试验研究阶段。例如c a c 0 3 部分分解为c a o ，c a c 0 3 与c a o ，在磨斑表 面通过沉积成膜而起抗磨作用，同时也起到类似轴承的作用心引。纳米硼 酸颗粒沉积在摩擦表面，然后这些沉积物在摩擦剪切及极压作用下发生 摩擦化学反应，生成b 2 0 3 及f e b 等产物，提高了润滑油的承载能力和 抗磨性能，并增大了抗剪切能力。 与此同时，纳米金刚石粉末作为润滑油添加剂的应用研究有较大的 进展。纳米金刚石粒子除了起到“微轴承 作用之外，还能起到分化、 减小磨屑尺寸和对表面抛光作用，而且在温度和外力作用下还可以不断 地渗入或嵌入到机体表面上，提高表面的硬度，改变其摩擦学性能。俄 罗斯利用纳米金刚石作润滑油添加剂生产了牌号为n - 5 0 a 磨合润滑剂 心引，专门用于内燃机磨合。该产品可使磨合时问缩短5 0 - - 9 0 ，同时 可提高磨合质量，节约燃料，延长发动机寿命。若用于精密加工机床的 润滑，该油品较普通机床油减少用油5 0 。s h e b a l i n 比53 研究了含质量分 数为0 0 1 - - 1 o 金刚石和石墨混合纳米离子的润滑油的摩擦性能，其 最大承载负荷由基础油的1 0 3m p a 提高至2 1 0m p a ，摩擦系数由0 0 8 降至o 0 1 5 。 1 5 车辆工程中的摩擦与磨损 汽车工业是机械工业中的支柱行业。汽车是应用最多的机械系统之 一，也是各部件之间相对运动种类最多、运动最为复杂的机械系统之一。 接触力学、摩擦学是研究相互作用表面和表面间行为的科学、技术及相 关实践。因此，汽车中的摩擦磨损行为，也是种类最多、最复杂的心钊。 7 广东工业大学硕士学位论文 由于汽车的生产量和使用量非常大，如果每辆车能通过摩擦学技术节省 1 的燃料，节省1 的材料，对于全世界来说，按汽车年产量5 0 0 0 万辆 计，相当于每年节省约5 亿吨燃料和节省约7 5 0 0 万吨材料。而且制动器、 轮胎路面和车身结构特别是动力系统中的接触、摩擦学行为对于汽车运 行的安全性、操纵性和舒适性，即汽车的性能有决定性影响心引，如果以 汽车发动机为例进行说明，发动机摩擦学问题主要有以下几个方面： ( 1 ) 发动机工作时，活塞沿气缸轴线方向作往复运动，在此过程 形成了缸套一活塞和缸套一活塞环两类摩擦副。在发动机的整个机械损 失中，活塞、缸套、活塞环的摩擦功耗占到4 0 以上，这两类摩擦副的 工作状况影响整个发动机的效率。为了提高活塞一缸套一活塞环系统的 摩擦学性能，如减小摩擦、降低磨损，应从整个系统的摩擦学角度来设 计，选取合适的活塞环结构，合理的材料组配等8 2 引。 ( 2 ) 控制气阀开闭的凸轮挺杆机构或凸轮一摇臂一挺杆机构是发 动机的主要接触副之一。据统计，在汽车发动机中，配气机构的故障占