润滑油使用纳米材料添加剂.pdf

2 0 0 5年 4月 Ap r 2 0 0 5 润滑油 Lu b ric a t i n g Oi l 第 2 0卷第 2 期 Vo 1 2 0 No 2 文章编号 1 0 0 2 3 1 1 9 2 0 0 5 0 1 0 0 2 1 0 5 纳 米材料 作为 润滑 油添加剂 的应 用与发展 趋 势 黄之杰 费逸伟 尚振锋 徐州空军学院 江苏 徐州 2 2 1 0 0 0 摘要 综述各种纳米材料在润滑油中的应用现状 研究被用做润滑油添加剂的纳米金属粉体 纳米硫化物 纳米稀 土化合物 纳米氧化物 纳米硼酸盐的抗磨减摩性能 探讨纳米润滑材料的发展方向 关键词 纳米材料 润滑油添加剂 抗磨损性能 中图分类号 TE 6 2 4 8 2 文献标识码 A 前 言 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 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 将纳米材料应用于润滑体系中 是一个全新的 研究领域 纳米材料具有表面积大 高扩散性 易烧 结性 熔点降低 硬度增大等特点 不但 可以在摩擦 表面形成一层易剪切的薄膜 降低摩擦系数 而且还 能对摩擦表面进行一定程度的填补和修 复 J 纳 米粒子尺寸较小 可以认为近似球形 在摩擦副间可 像鹅卵石一样 自由滚动 起到微轴承作用 对摩擦表 面进行抛光和强化作用 并支撑负荷 使承载能力提 高 摩擦系数降低 另外 纳米微粒具有较高的扩散 能力和自扩散能力 容易在金属表面形成具有极佳 抗磨性能的渗透层或扩散层 表现出原位摩擦化学 原理 因此 纳 米润 滑油 添加 剂具 有 突 出 的抗极 压 性能和优异的抗磨性 较好的润滑性 能 适合在重 载 低速 高温下工作 同时 它又不 同于一般的固 体润滑材料 它综合 了流体 润滑和 固体润滑 的优 点 有人认 为 应 用纳米材料制备的添加剂 对 摩擦后期摩擦系数的降低起决定作用 解决了常规 载荷添加剂无法解决的问题 本文重点研究了被用做润滑油添加剂的纳米金 属粉体 纳米硫化物 纳米稀土化合物 纳米氧化物 纳米硼酸盐的抗磨减摩性能 并对纳米润滑材料的 发展 方 向提 出看 法 1 纳米金属粉末 有机物表面修饰的 C u粉 A I 粉 S n粉 A l S n粉纳米粒子 铜具有优 良的传导性 延展性 抗腐蚀性 纳米 C u粉在润滑 油 中的应 用得 到 了广泛 的研究 将 纳 米 C u 粉作为润滑油添加剂 可阻止磨损和避免润 滑表面的划伤 用于汽车引擎上 能提高运行速度 延长发动机的使用寿命 俄罗斯科学家将纳米 C u 粉或纳米铜合金粉末加入润滑油中 可使润滑性能 提高 l 0 倍 以上 并能显著降低机械部件 的磨损 提 高燃料效率 改善动力性能等 夏延秋 丁津原 2 J T HiS a k a d o l 3 J 等将 l 0 5 0 n lT l 的 c u粉 Ni 粉等加入 到石蜡基础油中进行试验 表 明纳米金属粉具有显 著改善润滑油抗磨减摩性能的效果 周静芳等发 现 有机化合物表面修饰的铜纳米颗粒在液体石蜡 中具有 良好的稳定性和分散性 并能显著提高液体 石蜡的摩擦学性能 4 广州分析测试 中心的马丽 果等人 以 C L I S O4 H2 O Na HN 4 P VP A ES等 为 主 原料 制备 了纳米 C u粉 将制备 的纳米 C u粉添加 剂 以 3 的 比例加 入 到基 础 油 中 按 GB T 3 1 4 2要 求在 MS 一8 0 0型四球机上检测了油品的各项性能 指标 并与不加添加剂的基础油对 比 研究结果如表 1所示 5 l 经过研究他们还发现 用微乳液法制取的纳米 C u粉分散均匀 粒度可控 将纳米 C u 粉和其他润滑 油添加剂进行复配 经研磨制成纳米 C u 粉润滑油添 加剂 能够均匀 稳定地分散在润滑油中 以 3 的比 例加入到 5 0 0 S N基础油中 最大无卡咬负荷 烧结负 荷 综合磨损值分别提高了 8 0 1 0 8 3 3 9 5 8 6 磨斑直径 摩擦系数分别降低了 2 7 1 0 2 0 l 抗 收稿 日 期 2 0 0 4 0 9 3 0 作者简介 黄之杰 1 9 7 8 一 男 硕士 2 0 0 3 年毕业于徐州空军学院 航空油料物资系 从事油料应用教学与研究工作 已公开发表论文 数篇 维普资讯 润滑油 2 0 0 5年第 2 0卷 氧化安定性提高了 9 倍 燃油节油率达到了 1 8 7 表 1 纳米 C u粉添加剂抗磨性能试验 兰州化学物理研究所的马剑奇等人采用有机小 分子配体对 C u纳米微粒进行表面修饰 制备 了具 有代表性的油溶性 C u纳米微粒 并着重考察 了其 作为 C D 1 5 W 4 0柴 油 机 油 添 加 剂 的 摩擦 学 性 能 表 2中给出了含不 同质量分数油溶性 C u 纳 米颗粒 添加剂 的 C D油样 的摩擦 学性能 表 2 C 1 1 5 W 4 0柴油机油的摩擦学性能与油溶性 c u 纳米微粒添加剂含量的关系 其研究发现 油溶性纳米 C u微粒作 为润滑油 添加剂能显著提高 C D 1 5 W 4 0柴油机油 的摩擦学 性能 在载荷为 1 9 6 N 试验时间为 6 0 rai n和载荷 为 3 9 2 N 试验时间为 3 0 rai n 最佳纳米 C u含量条 件下 相应的钢球磨斑直径同基础油润滑下相 比分 别减 小了 2 4 和 4 2 当纳 米 C u粉添 加量达到 1 0 0 时 C D油的 P B和 P D值分别提高 了约 2 0 0 N和 8 0 0 N 可望作为纳米润滑油添加剂在工业润 滑油中得到应用 天津大学材料学院的柳刚等人利用四球机分别 对添加有纳米 粉 S n 粉 以及 S n 金属粉的润 滑油进行抗磨极压性能试验 研究发现纳米的 S n金属粉可明显地改善润滑油的极压抗磨性能 从 低载荷到高载荷阶段 添加有 A I S n 金属粉的润滑 油能明显减小钢球的磨痕直径 在低载荷和高载荷 阶段分别最多降低磨痕直径 1 5 1 8 提高 P B 值 9 2 左右 在低载荷下主要是 S n粉起到抗磨 剂作用 在高载荷阶段 粉起到极压剂的作用l 7 J 还有网上资料报导将 2 5 3 0 的 2 0 1 0 0 r i m的 钼 钽 镍 铜固体纳米金属微粉与 7 0 7 5 的溶 剂混合制成抗磨添加剂 在润滑油中添加 3 5 的这种固液混合添加剂 可明显改善润滑油的润滑 性能 降低摩擦系数 减少部件磨损和噪音 减轻发 动 机震动 延长发动机寿命 2纳米 金属硫化 物 有 机物表 面修 饰 的 Mo S 2 Z n S 纳米粒 子 硫系添加剂具有 良好 的极压抗磨性能 典型的 代表就是硫化异丁烯 Z D D P等 硫 系添加剂 目前 已广泛应用 于工业 润 滑油 中 由于 技 术原 因 纳 米 微粒的无机硫化物在润滑油中的分散和长期稳定问 题一直没有很好解决 空军第一航空学 院的罗湘燕 等人采用高分子设计方案 在形成聚合物过程中 原 位制备纳米 Mo S 2 微粒 聚酯聚合物 使纳米微粒 与 聚合物有机结合 一定程度上解决 了纳米微粒长期 稳定的问题 在对合成产物的润滑性能研究中 他 们将合成产物与航空润滑基础油 双酯化合物 按一 定比例混合 在 MS 一8 0 0四球机上进行摩擦磨损实 验 取得了较好的结果L 8 J 见表 3 表 3 添加纳米 M0 微粒 聚酯 聚合物航空润滑油极压性能 浓 度 PB N PI N 浓 度 PI N P I N 0 62 0 7 1 8 8 2 5 1 5 91 0 4 2lI 5 6 0 5 7 01 2 1 9 0 0 7 2 5 I l 2 5 6 2 4 97 2 I 0 8 2 0 3 2 0 0 0 2 3 0 1 2 0 8 7 2 5 08 4 从表 3中可以看出 P R 值随着纳米 Mo S 2 微粒 添加量的增大 而增加 当添加 3 0 时 P 值 提高 了 9 5 同时发现 含有纳米 Mo S 2 微粒 聚酯 聚合 物的润滑油可以有效防止金属烧结 作 者认为 含 纳米 Mo S 2 微粒 聚酯聚合物 的润滑油具有 良好的 极压抗磨性是因为纳米 Mo S 2 与金属表面形成一层 维普资讯 第 2 期 黄之杰等 纳米材料作为润滑油添加剂的应用与发展趋势 牢固的固体膜 这层膜具有较低的剪切力和 良好的 抗磨作用 可有效提高承载力 防止金属烧结 同时 纳米 Mo S 2 微粒可填平金属表面微坑和损伤部位 使金属表面更光滑 更平整 从而增大润滑油的极压 性能 兰州化学物理研究所的刘维民等人首先研究了 以石蜡基油作为基础油修饰 Z n S纳米粒子的摩擦 学性能 由于石蜡基油本身也具备良好的润滑性能 所以不能更有效地体现出添加剂的性能 基于以上 原因 又选用没有任何润滑性能的十四烷作 为基础 油来考察使用表面修饰剂双十六烷基二硫代磷酸吡 啶盐 D D P 修饰制备 的 Z n S纳米粒子的摩擦学性 能 并对其摩擦表面进行 X P S分析 探讨其摩擦学 机理 见表 4 表 4 十四烷及十四烷中添加 0 5 D DP 修饰 Z n S纳米粒子的摩擦学性能 注 四球摩擦磨损试验机 5 0 N 5 0 H z 1 l n l T l 3 0 rain 研究发现 纯十四烷的摩擦学性能很差 而添加 有表面修饰 Z n S纳米粒子后摩擦学性能明显改善 摩擦系数相对于十四烷降低 了 3 5 磨斑直径降低 了2 7 纯十四烷在本实验条件下仅能承受 5 O N 的负荷 当负荷增大到 1 0 0 N时 出现很大噪音 并 伴有大量磨屑 然而添加 0 5 表 面修饰 Z n S纳米 粒子后 甚至可 以在 2 5 0 N下进行 长期摩擦试验 由此证明表面修饰 Z n S纳米粒子作为润滑油添加 剂不仅可以明显提高十四烷的减摩和抗磨能力 而 且使十四烷的承载能力也明显提高 3 纳米稀土化合物 有机物表面修饰的 L a F C e F 3 纳米 粒子 稀土化合物化学稳定性极好 具有 良好的润滑 性能 但它在润滑油中的分散性很差 限制了其在润 滑油中的应用 兰州化学物理研究所的张泽武利用 微乳液法制备 了含氮有机物修饰的纳米 三氟化镧 L a F 3 考察了其在润滑油 中的摩擦学性能并对其 润 滑机理进行研 究 加 J 含氮有机物修饰 的纳米 L a F 在液体石蜡 中具 有 良好的减摩抗磨性能及较高的承载能力 在相同 试验条件下 其在液体石蜡 中的减摩抗磨性能优于 二烷基二硫代磷酸锌 Z D D P 承载能力略低于 Z D D P 见表 5 表 5 纳米 bF 3 添加剂在液体石蜡中的极压和抗磨性能 此外 D u md u m等研究了 C e F 3 作为润滑脂添加 剂的摩擦学性能及其与石墨 Mo S 2 的复配作用 研 究发现 C e 可 以降低润滑脂 的摩擦 系数 同时可 提高锂基脂和铝基脂的承载能力 但 C e F 3 与石墨或 Mo S 2 在润滑 脂 中没有 协 同效 应 在 常温 和 1 0 0 下的四球摩擦磨损试验结果表明 C e F 3比 Mo S 2 具 有更好的高温润滑性和润滑长效性 1 聂明德等 发现 将 C e 等添加到锂基脂中可以显著提高其烧 结负荷和抗磨性能 J 在此基础上 研制出一种白 色润滑成膜膏 已经成功地应用于数控机床高速液 压动力卡盘的润滑 为我 国开发高档卡盘创造了条 件 4 纳米金属氧化物 有机物表面修饰的 P b O S i0 2 Ti 纳米粒子 五邑大学的陈爽等人在合成 P b o纳米微粒 的 基础上 用四球摩擦磨损试验机考察 了不含任何活 性元素的 P b o纳米微粒作 为润滑油添加剂 的摩擦 学性能和作用机理 l 3 J 图 1中示出了 3 0 0 N载荷下 含油酸修饰 P b o 纳米微粒的液体石蜡润滑下摩擦系数和钢球磨斑直 径随浓度的关系 图 1 含油酸修饰 P h O纳米微粒的液体石蜡润滑下 摩擦 系数和钢球磨斑直径随浓度的关 系 研究发现 即使很少量 的纳米微粒添加剂都可 使油品的抗磨减摩性能得到提高 当添加质量分数 为 O 3 O 时 可 以最 大程度 改善基 础油 的抗磨 减摩 性能 此时 与基础油润滑相 比 摩擦 系数 降低 u 工 I l l f0 葶 维普资讯 2 4 润滑油 2 0 0 5年第 2 o卷 3 0 钢球磨斑直径 WS D 降低 3 3 这表 明油酸 修饰 P b O纳米微粒添加剂可明显提高基础油的抗 磨减摩和承载能力 纳米 S i 7 是纳米材料家族中的重要一员 具有 低密度 高表面积 低导热 系数 高孔隙率等独特的 物理化学性质 近年来 随着纳米科技的兴起 已有 研究人员将其应用在润滑油添加剂领域 东北大学 的霍玉秋等人研究发现 采用正交实验制备的纳米 S i 0 2 表面含有大量的羟基 这些羟基使得 S i O 2 可以 在金属表面形成吸附膜 从而在摩擦过程 中起到保 护金属表 面的作用l H J 有关有机物表面修饰纳米 T iO 2 作 为润滑油添 加剂的报道很多 比较有特点的是大连海事大学的 孙昂等人利用溶胶 一凝胶法制备了硬脂酸修饰的纳 米 T iO 2 粒子 将其作为润滑油添加剂 在万能摩擦 实验机上测试了摩擦学性能 试验发现 有机团修饰 的纳米 T i O 2 粒子具有优 良的抗磨减摩性能 1 5 J 5 纳米硼 系化合物 2 0 世纪 8 0 年代初 随着摩擦化学研究的深人 发现了以硼系为代表 的润滑油添加剂 的一些新特 性 1 不同于传统含硫 磷 氯等添加剂 在使用过 程中不会在金属表面形成化学反应膜 2 化学稳 定性极好 不会分解成酸 碱性物质 3 在使用过 程中 除在摩擦副表面形成吸附膜及聚合物膜外 还 能在摩擦副表面一定深度处形成渗透层 如硼化铁 F e B 镧化铁 碳化铁 F e C 及石墨 使得摩擦副摩 擦学性能大大提高 4 能显著改善摩擦 副的摩擦 学性能 摩擦因数及抗胶合和抗磨能力都有较大的 改 善 程西云等人研究了有机硼酸酯添加剂的摩擦学 性能H 按 G B T 3 1 4 2要求在 MS 一 8 0 0型四球机 上检测了基础油在有机硼酸酯作用下的磨斑直径 结果如表 6 所示 表 6 有机硼酸酯作用下磨斑直径对 比 研究发现 有机硼酸酯添加剂在润滑过程中 当 载荷较低时能形成一定厚度的摩擦聚合物膜及表层 吸附膜 随着载荷加大 由于摩擦热作用 添加剂 中 部分元素如 C B形成 B 2 0 3 H3 B O3 石墨碳 的沉积 膜 此外 部分 F e 与 C元素结合生成 F e C 从而有 效地提高了摩擦副抗磨损能力 6结束语 将纳米材料应用于润滑体系是一个全新的研究 领域 随着纳米科技的飞速发展 纳米材料作为润 滑油添加剂已开始显示其优越性能 它可以大大提 高润滑油的润滑性能和极压抗磨性能 实验表明 纳米润滑添加剂可有效地提高润滑油的最大无卡咬 负荷 PB 值 烧结负荷 P D 值 降低从低载荷到高 载荷全范围的长时磨损值 表现出优异的减摩抗磨 性能 目前 被用做润滑油添加剂加 以研究的纳米微 粒主要有纳米单质粉体 纳米氧化物 纳米氢氧化 物 纳米硫化物 纳米硼酸盐 聚合物纳米微球 以及 纳米稀土化合物等 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 从原理上看 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 对纳米润滑材料的研究 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 参考文献 1 石 淼淼 固体润 滑材料 M 北 京 化 学工业 出 版社 2 0 0 0 2 夏延秋 丁津原 马先贵 等 纳米级金属粉 改善润滑油 的摩擦磨损性能研究 J 润滑油 1 9 9 8 1 3 6 3 7 3 T Hi k a d o T T s u k i z o e H Y o s i k a w a L u b r i c a t i o n Me c h a n i s r n o f S o l i d L u b r i c a n t s i n O i l 8 1 L u b 一5 0 J J o u r n a l o f Lu b r i c a t i o n Te c h n o l o g y 1 9 8 3 1 0 5 2 4 5 4 周静芳 张治军 王晓波 油溶性铜纳米微粒作 为液体石 蜡添加剂的摩擦学性 能研究 J 摩擦学学报 2 0 0 0 2 0 2 1 2 3 1 2 6 5 马丽果 杨 秀华 谢继丹 等 微乳法制备纳 米铜粉 及其 在润滑油中的应用研究 J 润滑与密封 2 0 0 4 4 8 7 8 8 6 马剑 奇 王 晓波 付 兴 国 等 油溶 性 铜纳 米微 粒作 为 1 5 W 4 0柴油机油添加 剂的摩擦学性 能研究 J 摩擦 维普资讯 第 2期 黄之杰等 纳米材料作为润滑油添加剂的应用与发展趋势 学学报 2 0 0 4 2 4 2 1 3 4 1 3 7 7 柳刚 范荣焕 刘 庆廉 等 纳米 A I S n金属颗 粒对润滑 油抗磨极压性能的影响 J 润滑与密封 2 0 0 4 4 6 1 63 8 罗湘燕 唐振杰 汪定华 等 原位合成的纳米 Mo S 2 微粒 聚酯聚合物改善航空润滑油抗磨性能的研究 J 润滑 与密封 2 0 0 3 5 5 7 5 8 9 陈爽 刘维 民 修饰 Z n S纳米粒子的减摩抗磨性 能研 究 J 润滑与密封 2 0 0 3 1 1 8 1 9 1 0 张泽武 刘维 民 薛群基 含氮有机物修饰 的纳 米三氟 化镧的摩擦学性能研究 J 摩擦学学报 2 0 0 0 2 0 3 21 7 21 9 1 1 Du md u m J M Al d r o f H E B a r n u m E C L u b r i c a n t Gr a d e Ce ri um Fl u o ri d e a Ne w S o l i d Lu b r i can t Ad di t i v e f o r G r e a s e P a s t e a n d S u s p e n s i o n s J NL GI Sp o ke s ma n 1 9 8 4 4 8 1 1 1 1 1 6 1 2 聂明德 党鸿新 史月华 等 白色润滑成膜膏的研制 及 其摩擦学特 性与应用 J 摩擦学 学报 1 9 9 7 1 7 3 2 2 7 2 31 1 3 陈爽 刘维 民 欧忠文 等 油酸表面修饰 P B O纳米微粒 作 为润滑油添加 剂的摩擦学性 能研 究 J 摩擦学 学 报 2 0 0 1 2 1 5 3 4 4 3 4 6 1 4 霍玉秋 翟玉春 纳 米 S i 润滑油 添加 剂的制备 J 材料导报 2 0 0 3 1 7 3 1 3 8 1 4 0 1 5 孙昂 严立 朱新 河 等 表 面修饰 纳米 T i 2 表征及改 善润滑油的摩擦性能 J 大连海事大学学报 2 0 0 3 2 9 3 2 5 2 7 1 6 程西云 蒋松 硼系润滑油添加剂在线表层改性行为试 验研究 J 农业机械学报 2 0 0 2 3 3 4 1 0 5 1 0 8 THE APPLI CATI oN oF NANoPARTI CLES AS ADDI TI VE I N LUBRI CANT IS AND I TS DEVELoPM ENT TREND H