（材料加工工程专业论文）纳米锑粉作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究.pdfVIP

s t u d yo nt r i b o l o g i c a lb e h a v i o ro fs bn a n o p o w d e r sa sa d d i t i v ei n l i q u i dp a r a f f i n b y y a n gs h u h u a b e ( i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c e e n g i n e e r i n g o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx hj i a n l i n m a y , 2 0 1 1 j # f j k 钳 f 。， v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 名。伊牛忏多月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：矽年 日期：力f 序 日日 尸 月月 ，d 广d 肇 ： 一 一 f 、 ， ，- 簟? 吵 一 硕士学位论文 目 摘j 要1 a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 】【1i ； i 言1 1 2 纳米润滑油添加剂研究现状2 1 2 1 纳米颗粒的制备现状2 1 2 2 纳米颗粒的表面修饰。2 1 2 3 纳米颗粒的分散稳定性研究现状4 1 2 4 纳米颗粒的摩擦学性能研究现状5 1 2 5 纳米颗粒的润滑机理研究现状7 1 3 锑及锑的化合物应用现状_ 8 1 3 1 金属锑8 1 3 2 锑的化合物：1 0 1 4 选题意义1 2 1 5 研究内容及拟解决问题1 3 1 5 1 研究内容。1 3 1 5 2 拟解决问题一1 3 第2 章纳米锑粉的制备及分散性研究1 5 2 1 引言1 5 2 2 纳米锑粉的制备1 6 2 2 1 实验部分。1 6 2 2 2 实验结果与分析。1 8 2 3 分散性研究2 6 2 3 1 分散性实验2 7 2 3 2 实验结果与分析2 9 2 4 本章小结3 1 第3 章纳米锑粉的摩擦学性能研究3 2 3 1 引言3 2 3 2 实验部分3 2 3 2 1 实验材料。3 2 3 2 2 摩擦磨损实验3 2 3 3 实验结果与讨论3 5 3 3 1 锑含量对减摩性能的影响3 5 v ， 纳米锑粉作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究 3 3 2 锑含量对综合抗磨减摩性能的影响3 6 3 3 3 载荷对减摩性能的影响3 7 3 3 4 载荷对综合抗磨减摩性能的影响3 8 3 3 5 摩擦时问对综合抗磨减摩性能的影响3 9 3 4 纳米锑的润滑机理探讨4 1 3 4 1 磨斑表面形貌分析4 1 3 4 2 磨斑表面e d s 分析4 4 3 4 3 纳米锑的润滑机理探讨5 1 3 5 本章小结5 2 结论5 4 参考文献5 6 至f 【谢6 1 附录a 硕士期间发表的论文6 2 丫 ； 叠 硕士学位论文 摘要 本研究采用电化学方法制得了o p 1 0 改性的纳米锑颗粒，考察了其在纯液体石 蜡油中的分散稳定性能。在摩擦磨损试验机上对添加有纳米锑颗粒的润滑油的摩 擦学性能进行了研究并探讨了其润滑机理。得到的主要结论如下： 1 采用电化学方法制得不同形貌及粒径的纳米锑颗粒，并在制备过程中使用 o p 1 0 对纳米锑颗粒表面进行了原位改性。通过t e m 、x r d 和f t i r 等方法对纳米 锑颗粒的形态、物相和包覆效果进行表征。结果表明：纳米锑颗粒的制备具有时 间效应和电流效应。随着反应时间的加长，纳米锑颗粒粒径变大，且在某种程度 上存在着团聚现象；在一定范围内，适当增大电流密度有利于纳米锑颗粒的形成。 纳米锑颗粒的表面改性，主要是通过o p 1 0 的长链分子结构与纳米锑颗粒之间的化 学吸附以及o p 1 0 的长链烷基分子之间的氢键及范德华力相互作用，最终有效地包 覆在纳米锑颗粒表面来达到其表面改性效果，同时在反应过程中醚键也起了一定 作用。纳米锑颗粒在纯液体石蜡油中的分散稳定性能与其添加量有关，其最佳添 加量为o 5 。 2 在四球长时抗磨损试验机上对所制备的纳米锑粉作为润滑油添加剂进行 了摩擦磨损试验，考察了其作为液体石蜡添加剂的摩擦学性能，并与纯液体石蜡 进行了比较。结果表明：添加有纳米锑粉的液体石蜡，在较低载荷时，其摩擦性 能较差，甚至在纳米锑粉添加量较高时，其摩擦效果表现出了恶化现象，可是在 较高载荷时，其表现出了优良的抗磨减摩效果；当纳米锑粉添加量为0 1 时，其 综合抗磨减摩性能较好。经研究发现，在添加有纳米锑粉液体石蜡润滑下的摩擦 系数受载荷的影响均小于在纯液体石蜡润滑下的影响。 3 采用s e m 和e d s 对磨损表面形貌和化学成分进行了观察与分析，并对纳 米锑粉的润滑机理进行了探讨。纳米锑粉在较低载荷下，作用不明显，主要是纯 液体石蜡在起作用；在较高载荷下，纳米锑粉表现出优异的抗磨减摩作用，并且 在延长摩擦时间下，磨损表面出现了自修复现象。研究发现，在摩擦过程中纳米 锑粉在摩擦表面生成了润滑膜。在低载荷下，纳米锑粉与摩擦副表面之间还没有 充分发生渗透作用，从而没有发挥出其优良的润滑性能：在高载荷下，纳米锑粉 与摩擦副产生渗透作用形成一层化学反应膜，由于锑的双层结构而起到了良好的 抗磨减摩作用。 关键词：纳米锑颗粒；表面改性；分散；润滑油；摩擦性能 v a b s t r a c t a n t i m o n y ( s b ) n a n o p o w d e r sw e r ep r e p a r e db ye l e c t r o c h e m i c a lm e t h o da n dt h e i r d i s p e r s i o na n ds t a b i l i t yi nt h ep u r el i q u i dp a r a f f i n ( l p ) w a si n s p e c t e d t h et r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so fl u b r i c a n tw i t hs bn a n o p o w d e r sw e r es t u d i e do nt h ef r i c t i o na n dw e a r t e s t i n gm a c h i n e t h el u b r i c a t i o nm e c h a n i s mw a sa l s od i s c u s s e d t h em a i nc o n c l u s i o n s w e r er e a c h e da sf o l l o w e d 1 s bn a n o p a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n t m o r p h o l o g ya n ds i z ew e r ep r e p a r e db y e l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d ，w h i l et h es u r f a c ew a sm o d i f i e d b yu s i n go p 1 0 t h e m o r p h o l o g y , s i z ea n dc o a t i n ge f f e c t so ft h es bn a n o p a r t i c l e sw e r ea n a l y z e db yt e m ， x r da n df r i r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt i m ee f f e c t sa n dc u r r e n te f f e c t se x i s t e dw h e n s bn a n o p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e d w i t hr e a c t i o nt i m e i n c r e a s i n g ，t h es i z eo fs b n a n o p a r t i c l eb e c a m el a r g e ra n ds bn a n o p a r t i c l e sa g g l o m e r a t e d w h e nt h ec u r r e n t d e n s i t yc h a n g e dw i t h i nac e r t a i nr a n g e ，t h eh i g h e rc u r r e n td e n s i t yw a sc o n d u c i v et ot h e f o r m a t i o no fs bn a n o p a r t i c l e s t h es u r f a c em o d i f i c a t i o no fs b n a n o p a r t i c l e sw a s o b t a i n e dm a i n l yb yc o a t i n go fo p 一1 0t h r o u g hc h e m i c a la d s o r p t i o nb e t w e e no p 1 0 l o n g 。c h a i nm o l e c u l a rs t r u c t u r ea n ds bn a n o p a r t i c l e ，a n di n t e r a c t i o no fh y d r o g e nb o n d a n dv a nd e rw a a l sf o r c ea m o n go p 1 0l o n g c h a i na l k y lm o l e c u l a r , w h i l et h eb o n do f e t h e ra l s op l a y e dak e yr o l ed u r i n gt h er e a c t i o n t h ed i s p e r s i o na n ds t a b i l i t yo fs b n a n o p a r t i c l e si nt h ep u r el pr e l a t e dt ot h e i ra d d i t i v ea m o u n t ，a n dt h eo p t i m u ma m o u n t w a s0 5 2 t h et r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o fs bn a n o p o w d e r sa s a d d i t i v e si nl pw e r e e v a l u a t e dc o m p a r e dw i t ht h e s eo fp u r el po naf o u r b a l lt e s tm a c h i n e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tu n d e rl u b r i c a t i o no fl pa d d e dw i t hs bn a n o p o w d e r s ，i td i s p l a i e dt h ep o o r f r i c t i o n a lp r o p e r t i e sa tal o w e rl o a d ，e v e nw h e ni nt h el u b r i c a t i o no fl pw i t hh i g h e r a d d i t i v ea m o u n to fs bn a n o p o w d e r s ，i t sf r i c t i o n a lp r o p e r t i e ss h o w e dd e t e r i o r a t i o n ，b u t i t r e p r e s e n t e dt h ee x c e l l e n tf r i c t i o n a l p r o p e r t i e s a t h i g h e rl o a d s ；w h e nt h es b n a n o p o w d e ra d d i t i o nl e v e lw a so 1 ，t h es y n t h e t i cp e r f o r m a n c ew i t hf r i c t i o nr e d u c i n g ( f r ) a n da n t i - w e a r ( a w ) w a st h eb e s t t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tf r i c t i o nc o e f f i c i e n t w h i c hw a si nl u b r i c a t i o nw i t hl pa d d i n gs bn a n o p o w d e rw a sa f f e c tl e s st h a nt h a ti n p u r el pl u b r i c a t i o nb yt h el o a d 3 t h e m o r p h o l o g ya n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fw o r n o u ts u r f a c ew e r e i n v e s t i g a t e db ys e ma n de d s ，a n dt h el u b r i c a t i o nm e c h a n i s mo fs bn a n o p o w d e rw a s 硕士学位论文 a l s od i s c u s s e d u n d e ral o w e rl o a d ，p u r el pi n s t e a do fs bn a n o p o w d e rp l a y e dam a i n l u b r i c a t i o nr o l e ；b u tu n d e rah i g h e rl o a d ，s bn a n o p o w d e rs h o w e de x c e l l e n ta n t i w e a r a n df r i c t i o n r e d u c i n g e f f e c ta n dt h ew e a ls u r f a c er e p r e s e n t e dt h e s e l f - h e a l i n g p h e n o m e n o ni nt h ee x t e n s i o no ff r i c t i o nt i m e t h es t u d ys h o w e dt h a ts bn a n o p o w d e r g e n e r a t e dl u b r i c a t i n gf i l mi n t h ef r i c t i o ns u r f a c ed u r i n gt h ef r i c t i o np r o c e s s t h e f u n c t i o no fo s m o s i sd i d n to c c u rf u l l yb e t w e e ns bn a n o p o w d e ra n dt h ef r i c t i o np a i r , a n ds bn a n o p o w d e rh a dn o tp l a yi t sl u b r i c a t i n gp r o p e r t i e sf u l l yu n d e rl o w e rl o a d ；t h e f u n c t i o no fo s m o s i so c c u r r e db e t w e e ns bn a n o p o w d e ra n dt h ef r i c t i o np a i r , al a y e ro f c h e m i c a lr e a c t i o nf i l mw a sf o r m i n ga n ds bn a n o p o w d e re x h i b i t e dt h ee x c e l l e n t a n t i - w e a ra n da n t i f r i c t i o np r o p e r t i e su n d e rh i g h e rl o a dd u et ot h ed o u b l e l a y e rl a t t i c e s t r u c t u r eo fs b k e yw o r d ：s bn a n o p a r t i c l e s ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；d i s p e r s i o n ；l u b r i c a n t ； f r i c t i o n a lp r o p e r t i e s m 硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 摩擦与磨损在我们的生产和生活中无处不在，它的普遍存在对人类的物质生 产和生活有着极其深远的影响。在普遍使用机器的现代工业社会里，用机械来传 递动力或传递运动，零部件之间的相互运转必然会产生能源消耗、原材料损失以 及由于维修或更换所造成的人力财力浪费。因而，不考虑摩擦、磨损和润滑这一 重要课题，将不能充分发挥机械机器的效能。 为减少摩擦阻力和降低磨损，人们做了不懈的努力。从埃及搬运巨型石像浮 雕，及我国公元前1 0 0 0 多年史书上记载的车轴润滑措施，到十八世纪，阿芒顿、 库伦等人研究了这种客观存在的摩擦现象，十九世纪雷诺发表了流体动压润滑理 论，直到现在，对于摩擦磨损和润滑问题的研究一直没有停止过。其中，利用润 滑来减少摩擦和降低磨损是目前世界上最有效的方法，人们曾形象地把润滑油称 为工业的血液i 。进入二十一世纪，工业化已向大型、高速、重载的方向发展， 对机器的精度、寿命、效率和可靠性提出了更高的要求，要解决降低摩擦减少磨 损的问题，已经不是简单地利用普通润滑油就行的，而是需要结合当前所出现的 新科技和新技术来对摩擦磨损问题进行更深入的研究【2 】。 近年来，国内外学者在开发研究优异的抗磨减摩和抗极压性能的润滑油添加 剂过程中，已将注意力转向纳米粒子，同时对其作为润滑油添加剂的摩擦学性能 进行了大量研究且获得了一定的成果。纳米金属粒子作为纳米粒子的一种，在润 滑油添加剂领域有着广阔的应用前景。开展对纳米金属粒子的制备及其作为润滑 油添加剂抗磨减摩性能研究，可以极大地改善润滑油品的性能，从而延长机械设 备的使用寿命，最终达到节约能源的目的【3 引。因此，很多摩擦学工作者寄希望于 金属纳米微粒来解决一些特殊工况和高科技的润滑难题。 我国是世界上锑的主要生产国和出口国，锑的地质储量居世界第一位。目前， 无论是锑的资源量、生产量还是出口量，都名列世界第一。锑已成为我国的有色 金属优势资源，同时也是我国的保护性资源【6 7 1 。锑主要用于制造合金及半导体材 料，此外还应用于电缆护套、焊料、装饰用、铸件等【8 j 。作为一种性能优良的功 能材料，纳米锑材料己在很多相关领域引起广泛关注，锑及其合金作为耐磨材料 便是其中之一。因此，本研究利用电化学方法制备了o p 1 0 包覆的纳米锑颗粒，并 对其在液体石蜡中的分散稳定性做了研究，最后对其摩擦学性能进行了检测并探 讨了其润滑机理。 ： 纳米锑粉作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究 ： ： 1 2 纳米润滑油添加剂研究现状 纳米材料一般是指粒径小于1 0 0 n m 的粉体材料。纳米粒子处于微观粒子和宏 观物体的过渡区域，由于其结构上的独特性，使其具有比表面积大、易扩散、熔 点低、易烧结和催化活性高等特点，在力学、热学、磁学、光学和电学等方面表 现出不同寻常的性能，因而在催化、磁性材料、传感器、工程应用、生物学和医 学等诸多领域都得到了广泛应用1 9 1 1 1 。 ：以纳米材料为基础制备的纳米颗粒作为润滑油添加剂应用于摩擦学中，是纳 米科学的一个重要研究领域之一，并将以不同于传统添j j n 齐j 的作用方式起到抗磨 减摩作用。纳米粒子因粒度小而更容易进入摩擦表面，可能形成更厚的表面膜， 使摩擦副表面能很好地分离，提高抗磨减摩效果。纳米粒子还因其较高的表面活 性，直接吸附到零件的划痕或微坑处起到修复作用，或者通过摩擦化学反应产物 实现表面修复。由于纳米粒子以类似胶体的形式分散在油中，当润滑油泄漏时可 以沉积在滑动表面，在紧急情况下起到润滑作用。 1 2 1 纳米颗粒的制备现状 制备纳米粒子的方法有物理法、化学法和物理化学法。物理法有机械粉碎法、 电火花法、爆炸烧结法、冷冻干燥法、真空蒸发法、激光法、高频电弧感应法、 离子溅射法等。化学法有水热合成法、沉淀法、气相化学反应法、喷雾热解法、 溶胶凝胶法、表面修饰法等。常用的有水热合成法( 与水化合，通过渗析反应及 物理过程控制，得到改进的无机物，再经过滤、洗涤和干燥，得到高纯、超细的 颗粒) 、溶胶凝胶法( 制成金属无机盐或金属醇盐的前驱物，再将前驱物制成均 匀的溶液，让溶质与溶剂发生水解反应或醇解反应，反应生成物聚集成颗粒粒子， 经溶胶凝胶处理而得到超细颗粒) 和表面修饰法( 在无机纳米微粒核的表面键合 一层有机化合物的方法) 1 2 - 1 3 j 。 1 2 2 纳米颗粒的表面修饰 在纳米颗粒作为润滑油添加剂的科学研究领域中，纳米颗粒的表面修饰与改 性是一个相当重要的研究课题。所谓纳米颗粒表面改性就是利用物理和化学方法 来改变或修饰纳米颗粒表面的结构和状态，达到人们所预期的效果。纳米微粒具 有较大的比表面积，所以其表面能极高非常容易形成团聚体来降低其高的表面能 来达到一个平衡态，同时在热力学上其团聚是不可逆的。这种大的团聚体在摩擦 过程中会在垂直分力和水平分力的作用下压入材料表面与摩擦表面产生相对位移 从而会使摩擦表面发生犁皱或切削引起严重的磨粒磨损。在基础油中，防止纳米 颗粒的团聚以及保证其良好的分散性和稳定性是纳米颗粒作为润滑油添加剂的关 硕士学位论文 键所在。目前，对纳米颗粒表面修饰的方法很多，同时许多新的表面修饰技术也 在不断地蓬勃发展。 1 2 2 1 纳米颗粒的表面物理修饰 这种方法是通过范德瓦尔斯力等将异质材料吸附在纳米颗粒的表面，从而有 效的阻止纳米颗粒的团聚发生。 ( 1 ) 表面活性剂法 表面活性剂分子中含有两类性质截然不同的官能团，即具有亲水性的极性基 团和具有亲油性的非极性官能团。无机纳米颗粒在非极性的油性溶液中分散，表 面活性剂的极性亲水基团吸附到颗粒表面，而非极性亲油基团与油溶液相容，这 就实现了无机纳米颗粒在油性溶液中良好分散的目的。 ( 2 ) 表面沉积法 此方法是将一种物质沉积到纳米颗粒表面，形成与颗粒表面无化学结合的异 质包覆层。这种方法可以举一反三，既可以包覆无机纳米颗粒，也可以包覆金属 纳米颗粒。利用溶胶也可以实现对纳米颗粒的包覆。 1 2 2 2 纳米颗粒表面化学修饰方法 这种方法是通过纳米颗粒表面与修饰剂或改性剂之间进行化学反应，改变纳 米颗粒的表面结构和状态，以达到表面改性的目的。表面化学修饰法在纳米颗粒 表面修饰改性中占有相当重要的地位。目前人们常用的纳米颗粒表面化学修饰改 性方法主要为以下三种。 ( 1 ) 酯化反应法 醇化反应是金属氧化物与醇的反应。利用酯化反应对纳米颗粒表面修饰改性 最主要的功能是使原来亲水疏油的纳米颗粒表面变成亲油疏水的，这种表面功能 的改性在实际应用中十分重要。在酯化反应法中所采用的最有效醇类为伯醇，其 次是仲醇，叔醇是无效的，并且针对于表面弱酸性和中性的纳米颗粒，酯化反应 表面修饰法也表现出了优越的功效，例如：s i 0 2 ，f e 2 0 3 ，t i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，f e 3 0 4 ，z n o 和m n 2 0 3 等，此外，实验证明碳纳米颗粒也可以用酯化法进行表面修饰。 ( 2 ) 偶联剂法 在无机纳米颗粒和有机物进行复合时，表面改性显得十分重要。一般，表面 能比较高的无机纳米颗粒与表面能比较低的有机体的亲和性很差。当两者在相互 混合时不能相溶，从而导致其界面上出现空隙。解决以上问题可以采取偶联技术， 即纳米颗粒的表面经过偶联剂处理后可以与有机物很好的相溶。有效的偶联剂分 子应具备两种基团，一种是能与无机纳米颗粒表面进行化学反应，另一种是能与 有机物或高聚物起反应或产生兼容。其中最有代表性的偶联剂为硅烷偶联剂，其 对表面具有羟基的无机纳米颗粒最有效。 ( 3 ) 表面接枝改性法 ： 纳米锑粉作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究 ： ： 通过化学反应将高分子链接到无机纳米颗粒表面上的方法称为表面接枝法。 表面接枝改性法可以充分发挥无机纳米颗粒与高分子各自的优点，实现优化设计， 制备出具有新功能的纳米颗粒。其次，纳米颗粒经过表面接枝后，大大提高了它 们在有机溶剂和高分子中的分散性，这就使人们有可能根据需要制备含量大、分 布均匀的纳米颗粒添加的高分子复合材料【1 4 】。 1 2 3 纳米颗粒的分散稳定性研究现状 因金属纳米粒子油溶性差，一般是靠分散剂的作用或借助强力搅拌、超声分 散等将纳米粒子分散在基础油中。但是由于纳米粒子粒度小，表面能高，粒子之 间容易发生团聚，纳米颗粒在润滑油中的分散和稳定成为限制其在润滑油添加剂 中应用的主要问题之一。 一 纳米颗粒在润滑油中的分散程度与纳米材料的种类、粒度等因素有很大关系。 同时，纳米粒子在润滑油中的分散程度与纳米粒子在润滑油中的润湿热也有关。 极性液体对极性固体具有较大的润湿热，非极性液体对极性固体的润湿热较小， 而非极性固体与极性水的润湿热远小于与有机液体的润湿热。我们知道，润湿热 描述了液体对固体的润湿程度，如果润湿热越大，说明固体在液体中的润湿程度 越好，固体在液体中的分散性也越好。反之，则越差。因此，研究纳米颗粒在润 滑油中的分散性时，必须选择合适的纳米材料及合适的分散剂才能保证纳米颗粒 在润滑油中有较好的分散性。纳米颗粒在润滑油中的分散性和稳定性是两个密切 相关的因素。分散性好，稳定性不一定好。因为润滑油一般处于高温、高压及高 载荷的工作环境，润滑油中处于悬浮状态的胶体纳米材料在这样的工作环境下其 稳定状态极易遭到破坏而发生聚沉，最终失去纳米材料在摩擦中具有的功能。 为改善纳米颗粒在基础油中的分散稳定性，同时防止纳米颗粒在空气中氧化， 现在普遍采用的方法是先对纳米颗粒进行表面改性，该方法是通过在纳米粒子表 面的聚合反应而形成一种核壳结构，选择适当的单体可以使纳米粒子具有很好的 油溶性，纳米粒子经聚合物覆盖后可以阻止其重新团聚并改善其分散稳定性。段 春英等1 1 5 】利用种子乳液聚合法合成了具有核壳结构的p s a g 复合纳米微球。实验 结果表明，纳米银粒子呈球形，平均直径约为1 2 r i m ，合成的复合纳米微球平均直 径约为2 5 n m ，且较均匀。该复合纳米微球能够很好地分散在有机溶剂中并表现出 优良的抗磨性能。周静芳等【2 1 】采用化学还原法原位合成了有机化合物表面修饰的 油溶性的铜纳米微粒，该微粒在液相石蜡中也具有很好的抗磨减摩性能。 此外，通过高能量表面改性也能提高纳米粒子在润滑油中的稳定性。这些方 法由于技术复杂、成本较高，应用不多，还有待于近一步深入研究。张治军1 1 6 j 采 用二烷基二硫代磷酸修饰技术成功实现了m o s 2 纳米微粒在液体石蜡中的有效分 散，修饰的m o s 2 纳米微粒在润滑油中具有优异的减摩和抗磨性能。薛群基l l7 j 等 硕十学位论文 对m o s 2 ，t i 0 2 ，l a ( o h ) 3 ，p b s 等无机纳米粒子进行了表面化学修饰，修饰剂起到 了改善无机纳米粒子油溶性的作用，同时还具有良好的摩擦学性能。这就为从室 温到高温( 8 0 0 左右) 润滑的实现提供了新的研究思路。因有机修饰剂可在常温 及中等温度( 2 5 0 ) 下起润滑作用，而无机纳米材料可以在较高温度下起润滑作 用，从而实现从室温到高温的全程连续润滑。选择表面修饰剂不仅要考虑其油溶 分散性和稳定性，还要考虑表面活性剂解吸后在油中要有良好的摩擦学性能。目 前采用的表面修饰剂主要有：二烷基二硫代磷酸( d d p ) 、烷基磷酸酯、硬脂酸、 油酸、e h a 、含氮有机化合物等【l 引。 1 2 4 纳米颗粒的摩擦学性能研究现状 ( 1 ) 无机单质纳米粒子 广大科研工作者已经发现，无机纳米颗粒作为润滑油添加剂，能够有效地改 善基础润滑油的润滑性能，尤其对纳米铜粉作为润滑油添加剂的摩擦学性能进行 了大量研究且获得了一定的成果。夏延秋等【1 9 j 将1 0 - - 一5 0 n m 铜粉添加到液体石蜡 油中，对其磨损性能进行了评价，发现其大幅度降低了磨痕的宽度。t a r a s o v 等1 2 0 j 将不同气氛条件下制得的纳米铜粉加入s a e 3 0 机油中，也对其磨损性能进行了评 价，同时也发现纳米铜粉可以大幅度提高摩擦副的摩擦磨损性能。周静芳等1 2 1j 所 用的d d p 修饰的纳米铜和李斌等【2 2 j 利用原位合成法制备的纳米铜粉，作为润滑油 添加剂都表现出更好的润滑性能。此外，x ut 等【2 3 j 用爆炸法制成的纳米金刚石粒 子用作润滑油添加剂，其也展示出极佳的抗磨减摩性能和承载能力。 ( 2 ) 纳米氧化物及氢氧化物 许多学者在研究氢氧化镍、氢氧化锰、氢氧化镁、氢氧化钴和氢氧化镧等都 发现其具有优良的抗磨和减摩性能。王立光等【2 4 】对纳米氢氧化镍、氢氧化锰等的 抗磨性做过研究，研究表明3 0 一- 8 0 n m 的氢氧化镍具有很好的抗磨减摩性。zsh u ， jxd o n g 等【2 孓2 9 】制备出了纳米氢氧化钴、三氧化二锑、氧化铁、氧化钛和氢氧化 锰等并评价了它们的摩擦学特性。实验结果表明，纳米氢氧化物和氧化物具有优 良的抗磨减摩特性并在摩擦副表面沉积形成非连续的抗磨膜从而起作用。另外纳 米z r 0 2 和础2 0 3 的摩擦学性能研究也有文献报道【3 0 , 3 1 】。王利军、郭楚文等人【3 2 j 采用化学共沉淀法制备了纳米级铁磁流体润滑剂，测定了添加纳米f e 3 0 4 润滑剂 在不同速度、添加量和载荷下的摩擦学性能，并对抗磨减摩机制进行了研究。结 果表明，添加纳米f e 3 0 4 粒子的润滑油表现出了良好的抗磨减摩性能，并能够显 著改善基础油的承载能力，最大可以提高1 6 5 。其抗磨减摩机制为，由于纳米 微粒大多为球状，能起到类似“球轴承 的作用，从而提高润滑性能；另外，由 于纳米颗粒的增粘作用，从而提高承载能力。聂芊等【3 3 】采用表面修饰化学法制备 了豆油脂肪酸修饰的二氧化钛纳米微粒，对所制备的纳米微粒通过红外光谱进行 纳米锑粉作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究 了结构表征。试验结果表明，有机基团修饰的二氧化钛纳米微粒具有优良的分散 性，可提高液体石蜡的抗磨性和承载能力；加有表面修饰的二氧化钛纳米微粒的 液体石蜡磨斑直径减少了3 9 ，承载能力能够提高一倍以上。 ( 3 ) 纳米无机化合物 纳米无机化合物在摩擦学领域也被广泛应用，由于其在摩擦过程中所发生的 化学反应所生成的特殊物质，从而起到了优良的抗磨减摩效应。zsh u ，jxd o n g 等1 3 4 4 0 l 利用乙醇超临界干燥技术合成了一系列的纳米硼酸锌、硼酸钛、硼酸锶、 硼酸镁、硼酸铝、硼酸镧和硼酸铜等并评价了它们作为润滑油添加剂在5 0 0 s n 基 础油中的摩擦学特性i 结果表明，硼酸盐( 特别是碱土金属硼酸盐) 具有极佳的 抗磨减摩性能。他们利用x p s 、x r d 、s e m 以及氩离子刻蚀等技术发现其抗磨减 摩机制是在摩擦副表面通过摩擦化学反应生成了一些具有抗磨减摩特性的b 2 0 3 ， f e b ，f e 2 b 等化合物。他们还发现这些纳米粒子在润滑油中有一个最佳含量，当 其含量高于或低于最佳含量时，最大无卡咬载荷便会降低。王九等【4 1 】利用液相法 合成了c u s 纳米微粒；梁起等【4 2 i 利用修饰剂二烷基磷酸酯在醇水混合液中合成了 表面修饰的l a f 3 ；叶萍萍等f 4 3 1 分别用微乳液法和乳状液相转移法合成了纳米粒子 硫代钼酸镍。摩擦学实验表明，上述纳米粒子均表现出优良的抗磨减摩性能和高 的承载能力。l r a p o p o r t ，l c i z a i r e 等【4 4 舶】制备了纳米w s 2 和m o s 2 并评价了它们 的摩擦学特性，结果表明与普通的w s 2 和m o s 2 相比，纳米w s 2 和m o s 2 具有较 好的摩擦学特性。 ( 4 ) 纳米高分子微球 聚合物球形微粒作为一类新型水基润滑添加剂已引起人们的关注，为此人们 对聚合物球形微粒摩擦学性能进行了较为广泛的研究。聚合物纳米粒子具有很大 的比表面积和表面能，表面原子的吸附能力和反应活性较高，易吸附于摩擦表面 甚至与摩擦表面反应形成聚合物润滑膜。近年来，关于其摩擦性能的研究备受重 视。杂环化合物具有一定的承载能力和润滑性能，尤其是含s 和n 的杂环化合物， 具有良好的抗磨减摩性能。叶文玉等人1 4 7 】合成了大分子主链中含噻二唑环的共聚 物纳米微粒，并用高分辨透射电子显微镜、傅立叶红外光谱仪和热分析系统等对 该纳米微粒进行了表征，用m r s l 2 j 型和m r s 1 0 a 型四球摩擦磨损试验机，考察 了共聚物纳米微粒作为高水基润滑添加剂的摩擦学性能。结果表明，该共聚物纳 米微粒能分散于水中，且具有较好的极压抗磨性能。z h a ob a o y a n 等1 4 8 】用乳液聚 合法合成的p s 纳米微球和具有核壳结构的p s p m m s 纳米微球并考察了作为润滑 油添加剂的摩擦学性能。结果表明，聚合物纳米微球的交联度及核壳结构对其摩 擦学性能有重要影响，在适当交联度和浓度以及中低载荷的条件下聚合物纳米微 球有良好的抗磨减摩性能。 ( 5 ) 稀土化合物 硕士学位论文 稀土化合物由于其特有的物理化学性质，也也引起了科研工作者的极大关注。 顾卓明，顾彩香等1 4 9 j 研究结果表明，纳米碳酸钙、稀土粒子的最佳的添加量为o 1 6 ，最佳配比为w ( c a c 0 3 ) ：w ( r e ) = 1 ：1 ；该润滑油具有优良的抗磨、减摩性能；其 抗磨、减摩机理与纳米粒子存在形态以及摩擦化学作用有关。 ( 6 ) 复合纳米润滑添加剂 由于不同纳米添加剂对润滑油的润滑性能在不同方面各显其能，所以人们自 然而然地想到了将不同的纳米添加剂混合起来共同作为润滑油的添加剂，让其发 挥各自作用来提高润滑油的综合抗磨减摩性能。苏登成，郑少华等【5 0 】等采用超声 机械法制备纳米a 1 2 0 3 、s i 0 2 、m g o 等颗粒，并对其进行化学修饰，使其稳定地 分散在基础油中，获得自修复纳米润滑添加剂。通过四球试验与止推圈试验考察 摩擦学性能，试验结果表明：自修复纳米润滑添加剂具有良好的分散稳定性、抗磨 减摩性和自修复性。董凌等人1 5 1j 采用化学方法制备了s n 0 2 z n o 复合纳米粒子， 探讨了复合纳米粒子添加剂的润滑作用机理。结果表明，s n 0 2 z n o 复合纳米粒子 添加剂受压应力作用，可在试块磨痕表面形成纳米氧化物的保护膜，填平接触面 并陷入基体，从而减轻粘着磨损，并对磨损表面起到良好的修复作用；在较低载 荷下，保护膜中的纳米粒子起到“轴承作用，而在较高的载荷下纳米粒子晶格 产生滑移，甚至在磨痕表面形成合金层，使复合纳米粒子呈现出优良的抗磨减摩 性能。 1 2 5 纳米颗粒的润滑机理研究现状 纳米粒子作为润滑油添加剂具有明显的抗磨减摩特性，但是它们的作用机制 还不十分清楚。目前关于其作用机制有很多推测。一些研究者认为，纳米粒子几 何尺寸较小，可近似地看作球型，在摩擦副间可以像鹅卵石一样自由滚动，起到 微轴承作用，减小了摩擦阻力，降低了摩擦因数，减少了磨损。这种“微轴承 的摩擦原理目前还缺乏近一步的实验支持，仅仅是一种推测而己【5 2 1 。另外一种理 论是薄膜润滑理论1 5 3 j ，认为在摩擦过程中纳米粒子由于其低熔点在摩擦副上形成 了一层纳米薄膜，纳米薄膜的性能不同于一般的薄膜，它的韧性、抗弯强度均大 大优于一般薄膜。这层膜减小了摩擦，提高了承载能力，从而减轻了磨损。另外， “第三体抗磨机制认为1 54 。，纳米粒子添加剂对摩擦副凹凸表面的填充作用以及 表面的摩擦化学反应形成了稳定的“第三体 ，具备优越的抗磨特性。另外，纳米 粒子由于具有高的扩散和自扩散的能力，因此也很容易在金属表面形成一层具有 优良摩擦学特性的渗透层或扩散层。该理论说明，纳米添加剂的润滑作用不再取 决于添加剂中的元素是否对基体是化学活性的，而很大程度上决定于它们是否在 摩擦副表面能形成扩散层、渗透层或固溶体，这可解决在添加合成时长期依赖s ， p ，c l 等对环境有害的活性元素的状况。 纳米锑粉作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究 目前的研究工作表明纳米粒子作为润滑油添加剂能明显改善润滑油的摩擦学 特性，与基础油相比具有明显的抗磨减摩性能。纳米粒子综合了流体动压润滑和 固体润滑添加剂的优点，但又不同于传统的固体润滑添加剂，适合在重载、高温、 低速的条件下工作。但是目前的研究工作仅仅只是一个开端，