三种含金属类纳米添加剂摩擦学性能比较|纳米添加剂

　　（1.中国石油兰州润滑油研究开发中心, 甘肃 兰州 730060; �2.中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000）�� 　　
　　摘要：利用MRH-3高速环块摩擦试验机考察了Cu、TiO2、Al�2O3三种纳米添加剂在液体石蜡中的摩擦学性能，并借助试验后钢件磨损量变化以及磨斑表面SEM图片对比了三种添加剂的摩擦磨损性能。结果表明：纳米Cu添加剂对减少摩擦副表面的磨损以及防止金属面卡咬效果最佳。��
　　关键词：纳米；润滑油添加剂；摩擦学
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　　中图分类号：TE624.82 文献标识码：A��
　　
　　0 前言�
　　
　　目前，针对纳米润滑油添加剂摩擦学性能的研究已经受到了广泛关注[1-7]。通过对TiO2、Cu等纳米粒子在润滑油中润滑性能的研究发现，纳米添加剂有效地改善了润滑油品的减摩、抗磨、极压特性[8-10]。应用纳米材料作为润滑油添加剂涉及纳米摩擦学、润滑学、纳米材料学、现代表面学等许多先进学科。传统的制备方法是首先制备出纳米微粒，然后加适当的分散剂，此法不能制备易氧化的物质，粒径愈小，困难愈大，从而限制了这些物质的研究和应用。其次，制备出的纳米微粒表面很快会钝化，表面活性下降，影响到和分散剂之间的相互作用，不利于稳定悬浮。近年来发现利用在溶液中原位合成表面修饰纳米微粒的方法可以有效解决上述问题，即纳米微粒的形成和表面修饰剂的吸附一次完成。中科院兰州化学物理研究所用此法合成了一系列性能优异的纳米润滑油添加剂。本研究着重对该所提供的Cu、TiO2、Al�2O3三种有机复合纳米添加剂进行了比较，研究结果表明，有机复合纳米Cu添加剂具有很好的极压性能，与其他两种纳米添加剂相比，能显著降低钢件摩擦面间的磨损，防止卡咬、烧结现象发生。�
　　1 试验材料与试验方法�
　　
　　1.1 纳米添加剂�
　　本试验选用的三种纳米添加剂Cu、TiO2、Al�2O3均由中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑实验室提供，其TEM照片见图1～图3。�
　　
　　图1 纳米Cu的TEM照片 图2 纳米TiO2的TEM照片 图3 纳米Al�2O3的TEM照片��
　　三种纳米添加剂都是采用在溶液中原位合成表面修饰纳米微粒的方法，此方法降低了纳米粒子表面活性，增强了其在油品中的分散稳定性。由纳米粒子的TEM照片可以看出，所采用的样品颗粒大小
　　
　　 (注：作者简介：刘新（1981-），男，助理工程师，2004年毕业于西北大学生物化工专业，目前主要从事工业润滑油产品研发工作。）
　　
　　均匀，粒径分布窄，无较大团聚现象出现。纳米Cu、TiO2、Al�2O3在化学纯液体石蜡中分散稳定性良好，其中纳米Cu的最大加量为3.0%,纳米 TiO2、Al�2O3最大加量为1.5%。�
　　1.2 试验方法�
　　将纳米添加剂以一定质量加入到化学纯液体石蜡中，经超声分散20～30 min。试验采用了MRH-3高速环块试验机进行摩擦磨损试验，试验前先用白油对试验钢环及钢块进行预磨，时间为5 min。通过调整纳米添加剂的含量、试验转速、试验载荷这三个方面影响因素来比较三种纳米添加剂的摩擦学特性。试验所用钢制环块为轴承钢AES52100，钢环直径为1.0 cm，HV硬度为290~300，钢块硬度相同。�
　　
　　2 试验结果与分析�
　　
　　2.1 纳米添加剂含量对摩擦力矩影响�
　　使用MRH-3高速环块磨损试验机，固定摩擦转速为(300±2) r/min,试验力为(600±0.5) N，试验周期为30 min 。三种纳米添加剂在液体石蜡中摩擦力矩随含量的变化见图4～图7。
　　
　　图4 纳米Cu在液体石蜡中摩擦力矩随含量的变化 图5 纳米TiO2在液体石蜡中摩擦力矩随含量的变化��
　　
　　图6 纳米Al�2O3在液体石蜡中摩擦力矩随含量的变化 图7 三种纳米添加剂添加量为0.5%时摩擦力矩比较 ��
　　由图4看出，纳米Cu在液体石蜡中的加量达1.5%时摩擦力矩最小。添加量增加到3.5%，摩擦力矩反而变大，且发现3.5%添加量情况下实验完废油中黑色粉状磨损物明显增多，磨斑表面轻微划痕增多。由图5看出，纳米TiO21.0%加量在试验磨合期后摩擦力矩最低，添加量增加到1.5%，摩擦力矩也有所增大。图6中，纳米Al�2O3在1.5%加量时摩擦力矩增加幅度很大，且试验完废油中发现黑色沉淀物，金属表面磨痕较为严重。分析原因可能是由于摩擦时，纳米粒子在边界润滑状态浓度增大，粒子接触的几率增大，活性很高的纳米粒子很容易发生团聚生成较大的颗粒，产生磨粒磨损，从而使摩擦力矩增加。由图7比较三种添加剂在0.5%浓度时的摩擦力矩可以清楚地看到，纳米铜添加剂的减摩性能优于纳米TiO2；纳米TiO2较优于Al�2O3。在相同条件下做液体石蜡空白样摩擦磨损试验，试验到10～20 min左右均发生卡咬，摩擦力矩在800～�1000 N•mm。��
　　2.2 试验转速、试验负载对摩擦力矩的影响�
　　使用MRH-3高速环块磨损试验机，三种纳米添加剂的添加量为0.5%，试验力定为（600±0.5）N，转速从200 r/min起，每隔5 min转速增加200 r/min，最高转速为1000 r/min；同样地，保持添加量不变，试验转速定为800 r/min。试验力从100 N起，每隔10 min增加试验载荷，最高试验载荷为800 N。试验结果见图8和图9。�
　　
　　图8 摩擦力矩随转速的变化曲线 图9 摩擦力矩随试验力的变化曲线��
　　从图8可看出，随摩擦转速增大，三种添加剂摩擦力力矩基本保持不变，纳米Al�2O3添加剂在转速为1000 r/min时发生卡咬，纳米Cu添加剂摩擦力矩值远低于其他两种剂。从图9可看出，随试验力的增加，三种添加剂摩擦力矩都有增加，在增大到800 N时，纳米Al�2O3、纳米TiO2添加剂均发生卡咬，说明在较高负载及转速条件下，纳米Cu添加剂的极压性能优于另外两种纳米添加剂。�
　　2.3 试验钢件磨损量的变化�
　　摩擦过程中，在机械能作用下，摩擦副表面缺陷增多，剥离出具有活性的新鲜金属表面，激发出外逸电子，形成高强度电场，出现瞬时高温、高压等。这些效应激发和促进了摩擦表面间物理化学作用的进行，使周围介质与摩擦表面相互作用，在表面形成保护膜和/或改性层，减缓了钢件的摩擦和磨损。纳米添加剂减缓金属表面摩擦和磨损的程度，可以通过实验前后摩擦副磨损量的变化来比较。将上图8中试验用钢块及钢环进行磨损量比较，所得数据如图10和图11。�
　　
　　 图10 试验完样品钢块磨损量比较 图11 试验完样品钢环磨损量比较�
　　磨损量=（试验前钢件质量－试验后钢件质量）/试验前钢件质量。��
　　图10、图11中可明显看出，添加0.5%纳米Cu样品的磨损量最低，与参照样品液体石蜡相比，试验钢环和钢块的磨损量分别降低了44和47倍，明显减轻了金属表面的磨损状况。纳米Al�2O3、纳米TiO2也不同程度降低了钢件表面的磨损，但与纳米Cu相比，磨损量较大。三种纳米添加剂在边界润滑条件下都起到了对金属表面的保护作用，其中纳米Cu添加剂对减少摩擦副表面的磨损效果最佳。�
　　2.4 磨损表面形貌分析�
　　为了进一步对比三种纳米添加剂的摩擦学性能，对图8中试验后的钢块进行了表面形貌分析，所用仪器为兰州化物所TSM-5600LV扫描电镜。试验完钢块磨损表面形貌见图12。�
　　由图12看出，在边界润滑条件下，液体石蜡参照样试验完的两摩擦面较高，微凸体将会直接接触，没有得到保护。钢块表面的粘附磨损和磨料磨损非常严重。纳米Cu样品试验完的钢块表面几乎没有太大的磨损，纳米Al�2O3、纳米TiO2试验完的钢块表面有粘附磨损，纳米Al�2O3钢块表面金属碎片剥离较为严重。从含金属类纳米添加剂的摩擦学机制看[10]。摩擦过程中在高剪切力作用下，纳米微粒的核壳结构将被破坏，纳米微粒在金属表面形成致密的固体反应薄膜，纳米固体反应薄膜有利于承载并且有效地防止了接触齿面的磨损。根据上述试验结果证明，在低负荷高转速条件下，纳米Cu在金属表面形成的固体反应薄膜相较于纳米Al�2O3、纳米TiO2固体反应薄膜更加稳定，与活性元素S和P形成的化学反应膜具有很好的协同效应。�
　　
　　a液体石蜡（×500） b纳米Cu（×500）��
　　
　　c纳米Al�2O3（×500） d纳米TiO2（×500）�
　　图12 液体石蜡、纳米Cu、纳米Al�2O3、纳米TiO2试验完样品的磨斑形貌��
　　综上所述，三种纳米添加剂在试验过程中都能不同程度起到降低摩擦及磨损的作用。其中，纳米Cu添加剂摩擦学性能明显优于其他两种纳米添加剂。�
　　
　　3 结论�
　　
　　在边界润滑条件下，三种金属类纳米添加剂Al�2O3、TiO2、Cu在不同程度上起到了对试验钢件表面的保护作用。其中纳米Cu添加剂对减少摩擦副表面的磨损以及防止卡咬效果最佳。
　　
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