纳米材料在润滑油中的应用

传统润滑油脂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。因此,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研制开发人员的广泛关注,其中纳米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。
　　
　　一、传统润滑油的弊端
　　
　　1.传统难以适应超低温、高真空、强幅射、超高速、超重载等极端条件，已难解决现代条件下某些高端或特殊机电产品和汽车发动机的摩擦和磨损问题；
　　
　　2.车辆启动以后，机油温度低，粘度大，这时传统润滑还没有进入到最佳状态，磨损也是比较剧烈的，严重影响汽车发动机的使用寿命；
　　
　　3.在摩擦过程中可能产生有害成分，特别是当油温较高时，可能对有色金属（如Ag,Sn等）的轴承材料起腐蚀作用；
　　
　　4.有些油溶性有机添加剂易分解消耗，需不断补充；
　　
　　5.传统润滑油合成工艺复杂，有些有化学污染，不能做到节约能源，保护环境，使其发展受到一定限制。
　　
　　二、纳米材料在润滑油中的作用
　　
　　1.滚动减摩作用
　　
　　纳米粒子尺寸很小，可以看作近似球体，在摩擦副间像鹅卵石一样自由滚动，支承载荷，提高了润滑膜的耐磨性，起到了减摩擦抗磨损作用，如图1所示。
　　
　　图1  滚动减摩作用
　　
　　2.薄膜润滑作用
　　
　　纳米粒子的高扩散性和易烧结性，在摩擦过程中形成的高温高压使纳米粒子熔化，在摩擦表面形成一层超薄而致密的边界润滑膜，这种剪切强度很低的薄膜能显著减小摩擦系数，还可对摩擦表面进行一定程度的填补与修复，起到抗磨损作用。如图2所示。
　　
　　图2 薄膜润滑作用
　　
　　3.第三体抗磨机理
　　
　　纳米粒子的存在对摩擦后期的摩擦系数的降低有决定性作用。对摩擦副微观表面分析看出，纳米粒子添加剂对摩擦副凹凸表面起填充作用，摩擦化学反应在摩擦副间形成了稳定的第三体。
　　
　　表一 几种固体润滑油性能的比较
　　
　　固体润滑剂 最大负荷
　　
　　kNm-2 最大速度
　　
　　ms-1 摩擦系数
　　
　　石墨 1400 0.50 0.10-0.20
　　
　　MoS2 17500 0.20 0.10-0.20
　　
　　PTFE 2500 0.02 0.10-0.60
　　
　　纳米润滑剂 >3500 0.15 0.10-0.18
　　
　　表一列出了美国密执安大学测定的几种固体润滑剂的性能比较。由表可见，纳米固体润滑剂特别适应在重载、低速的条件下使用。
　　
　　三、“开尔”纳米材料在润滑油中的应用
　　
　　纳米材料在润滑领域的应用是润滑技术的发展趋势，但是目前很少成功应用的主要是因为纳米的分散问题不能解决。“开尔”公司具有自己的分散专利技术，使润滑油成功具有了磨损修复功能，这可以大大延长设备的使用寿命，处于“健康”状态的设备必然会节省能源，降低环境污染。同时具有社会效益和经济效益。
　　
　　1.“开尔”氮化铝（AlN）纳米粒子应用于车用润滑油
　　
　　相对于其他纳米颗粒，纳米氮化铝（AlN）的高导热率，更容易被激活，它能完全充填金属表面的微孔，并形成保护膜，这些成千上万如液态的小滚珠能最大限度地减少金属与金属间微孔的摩擦。使摩擦作用与膜上，更好的起到减磨的效果，节约损耗。
　　
　　1.1 纳米氮化铝的修复能力
　　
　　纳米氮化铝（AlN）陶瓷粉体经过化学表面修饰后，做为抗磨添加剂添加进润滑油中，经过实验研究表明，纳米氮化铝陶瓷颗粒作为添加剂使用具有很高的修复能力。
　　
　　（1）具有平均可降低磨损20%到50%；
　　
　　（2）摩擦系数可降低30%；
　　
　　（3）磨损可降低34%；
　　
　　（4）燃油经济性提高5%；
　　
　　（5）平均油耗可降低1.44%至3.09%。
　　
　　1.2 “开尔”纳米改性润滑油的8大特点：
　　
　　（1）寿命是传统同级别润滑油的3-5倍；
　　
　　（2）增加马力8%；
　　
　　（3）降低噪音10%；
　　
　　（4）节省燃油12-35%；
　　
　　（5）减少发动机磨损90%；
　　
　　（6）减少尾气排放30%；    
　　
　　（7）显著降低冷启动磨损和低温磨损；
　　
　　（8）减少发动机故障、降低维修费用。　
　　
　　2.纳米氮化硼（BN）陶瓷润滑油添加剂
　　
　　油性纳米氮化硼陶瓷润滑油添加剂直接地在机械运转过程中通过化学耦合反应，在金属表面形成化学键陶瓷结构，使所有的金属摩擦表面陶瓷化，从根本上改变了金属表面的性质，将金属材料变为陶瓷材料，使机械产品达到了令人惊异的结果。以下是纳米氮化硼对润滑油的改性。   （1）陶瓷化轴承：设计寿命100小时的轴承，应用陶瓷润滑技术能够运转数千小时，甚至能达到4500小时以上；   （2）陶瓷化变速箱：变速箱的部位在润滑油达不到时往往造成损坏；   （3）陶瓷润滑技术使变速箱在无油时仍然能够正常工作；   （4）陶瓷化发动机：汽车发动机，改善尾气排放，增强动力等；   （5）节约不可再生能源和资源；   （6）节约汽车燃油一项，平均为5%，节约石油能源；   （7）环境保护： 降低CO, HC, NOx 的排放量，特别是降低NOx。氮化硼陶瓷金属润滑测试数据显示，降低氮氧化合物排放量可达78-80%。    
　　
　　3.纳米碳化硅（SiC）显著改善基础油的承载能力
　　
　　钢铁材料已广泛应用于现代工业中。但其摩擦系数高、磨损大且难以润滑等致命弱点限制了其在机械工业上的进一步应用。将纳米碳化硅作为添加剂加入润滑油中可以显著提高基础油的承载能力，延长钢铁材料的使用寿命。
　　
　　3.1 纳米SiC颗粒的加入对润滑油润滑性能的影响与以下几个因素有关：
　　
　　（1）由于纳米SiC颗粒的小尺寸效应，可以对摩擦副表面进行显微抛光。
　　
　　（2）纳米SiC颗粒具有很高的承载能力，能够有效隔离摩擦副。并且球形和准球形的颗粒可以在摩擦副表面形成“滚珠”轴承效应，表现出良好的润滑性，将宏观的滑动摩擦变成微观的滚动摩擦。
　　
　　3.2 改性后产品的功能描述：
　　
　　在M-200环块试验机上进行摩擦学实验，滑动线速度为0.42m/s。磨损时间为30min，所加载荷分别为700N、1000N，
　　
　　当载荷为700N，纳米润滑条件下的磨块磨痕的宽度为1.9mm，为基础油润滑条件下磨痕的80%；当载荷升高到1000N时，基础油润滑条件下的磨痕宽度升高较大，而纳米油磨痕的宽度几乎没有提高，为基础油润滑条件下的宽度的65%。　　
　　
　　4.纳米氮化硅（Si3N4）提高聚合物减摩耐磨性能
　　
　　纳米氮化硅是一种具有自润滑性的陶瓷材料，在填充聚合物时，可能会诱导复合材料在摩擦副对磨面发生摩擦化学作用，生成SiO2类的产物，从而显著耐磨性能。
　　
　　（1）将纳米碳化硅填充聚醚醚酮（PEEK）复合材料能显著降低PEEK的摩擦系数和磨损率。与纯基体相比，添加了纳米碳化硅的复合材料耐磨损性能提高了85%左右。实验显示，质量分数为7.5%的纳米粒子的减磨耐磨性能达到最佳。
　　
　　（2）纳米氮化硅也能大幅度提高环氧树脂（EP）复合材料的摩擦磨损性能，当少量的纳米氮化硅加入EP时，复合材料的摩擦系数和磨损系数显著降低。这也是因为摩擦过程中对偶面上生成了SiO2。但是当纳米氮化硅含量较高时，会降低纳米粒子在聚合物基体的均匀分散，使得纳米粒子团聚倾向加重，影响摩擦性能，但摩擦系数和磨损率还是低于基体聚合物。
　　
　　纳米氮化硅/环氧树脂复合材料的摩擦系数与纳米氮化硅含量的关系
　　
　　5.纳米氮化钛（TiN）铺展成膜自修复
　　
　　纳米氮化钛作为添加剂加入到润滑油中，能牢固的渗嵌到金属机件表面凹痕和微孔中，并在金属表面形成纳米保护膜，使原有的金属间的油脂膜或化学膜变成纳米膜，极大的降低磨擦力，使磨擦系数几乎接近零，从而发挥其独特神奇的功能。
　　
　　有人根据氮化钛的自修复性能做了以下实验:
　　
　　利用高精度液压式往复试验机研究了纳米羟基磷酸钙、纳米二氧化钛、纳米氮化钛三种纳米添加剂润滑条件下GCr15/45钢对摩时的摩擦磨损性能,通过扫描电子显微镜和EDX能谱对磨斑进行了微观分析.并得到了如下的结论:
　　
　　a.纳米润滑添加剂可以降低摩擦副摩擦因数和材料磨损量,表现出优良的抗磨损性能;
　　
　　b.三种纳米添加剂具有不同的自修复机制.其中,纳米羟基磷酸钙和纳米二氧化钛的修复机制主要为铺展成膜自修复,而纳米氮化钛为铺展成膜自修复和原位摩擦化学自修复并存;
　　
　　c.纳米氮化钛的自修复效果最佳,纳米二氧化钛的自修复性能最差。