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第23卷第4期摩擦学学报Vol23,No42003年7月TRIBOLOGYJuly,2003纳米颗粒及其在润滑油脂中的应用刘维民(中国科学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:纳米材料科学与技术的发展有力地推动了新型先进润滑材料与技术的发展,与之相适应,无机纳米颗粒作为润滑油脂抗磨损添加剂的研究受到了广泛关注.业已发现,某些纳米硫化物、纳米氧化物、纳米稀土化合物及纳米软金属均具有良好抗磨损作用,这同纳米颗粒在磨损表面的沉积及其在一定程度上对磨损表面的“修复”作用密切相关;利用有机2无机复合技术在纳米颗粒表面引入有机修饰分子,可有效地抑制纳米颗粒的团聚,从而提高纳米颗粒在润滑油中的分散稳定性;而纳米润滑添加剂实现工业化应用的关键在于规模化制备技术开发成功及生产成本的大幅度降低.关键词:纳米颗粒;润滑油脂添加剂;抗磨损性能中图分类号:TH117.3文献标识码:A文章编号:100420595(2003)0420265203纳米材料指几何尺寸达到纳米尺度并具有特殊往含有大量的纳米尺度组分如纳米碳酸钙等,而摩擦性能的材料,其主要类型包括零维纳米颗粒与粉体、学科研人员早在20世纪80年代即已注意到该组分一维纳米碳管和纳米线、二维纳米薄膜及三维纳米的抗磨损作用.毫无疑问,用作润滑油添加剂的固体晶块体材料等.纳米材料结构的特殊性(如大的比表颗粒材料必须满足润滑油的有关标准,如其粒径必须面、小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效小于0.5Lm、必须可以长期稳定溶解或分散于润滑应)赋予了其不同于传统材料的各种独特性能,其中油中等.一般而言,无机纳米颗粒难以长期稳定分散尤以特异的电学、热学、磁学、光学及力学性能等最于润滑油中,这限制了其在润滑油中的应用.为了克为引人注目,具有重要的应用和开发价值.而纳米服这一缺陷,可以采用长链有机化合物对无机纳米颗[1,2]材料的摩擦学应用同样立足于其独特的性能.粒进行表面修饰,使得无机纳米颗粒表面经化学键合润滑油脂的服役行为在很大程度上取决于润滑形成有机化合物包覆层,从而通过加强其亲油性而提添加剂的性能.毋庸讳言,传统润滑油脂依然占据高其在有机溶剂及基础油中的分散稳定性,为其作为着当今润滑油脂市场的主导地位,但其在高承载能润滑油添加剂奠定基础.业已受到研究者关注的可用力及环境友好等方面的应用局限性不容忽视.正因于无机纳米颗粒表面修饰的有机化合物主要包括有为如此,新型润滑油脂的研究开发受到了国内外摩机酸、有机胺、有机硫磷酸、聚异丁烯丁二酰亚胺等.擦学家和润滑油品研制开发人员的广泛关注,其中其中含硫2磷2氮有机化合物修饰的纳米颗粒作为润纳米颗粒材料作为润滑油添加剂的研究更成为国内滑油添加剂通常表现出更好的抗磨性能和更高的承[3～8]外关注的焦点之一.我国在该领域的研究工作得到载能力,而有机酸修饰的纳米颗粒作为润滑油添[9～12]了863计划和国家自然科学基金的大力支持,同时加剂通常具有环境友好特性.[1]得到了中国科学院等相关研究院所和中国石油天然Zhang等早在近10年前即尝试将有机硫磷酸气股份公司等特大型相关企业的有力支持,取得了修饰的MoS2纳米颗粒用作润滑油抗磨添加剂,并发长足进展;目前,几种具有代表性的产品业已获得现经有机硫磷酸修饰的MoS2纳米颗粒在液体石蜡初步应用推广.中的分散稳定性显著提高,具有明显的减摩、抗磨和极压承载作用.此后,一系列有机物修饰的无机纳米1研究进展[2,9～11][12]润滑油添加剂,包括氧化物如TiO2、PbO,[3～5][10]事实上,某些润滑油清净添加剂的碱性组分中往稀土化合物如LaF3,软金属如Cu、硫属化合基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(50235030);国家863计划资助项目(2002AA302607).收稿日期:2003203226;修回日期:2003205210ö联系人刘维民,e2mail:wmliu@ns.lzb.ac.cn.作者简介:刘维民,男,1962年生,博士,研究员,博士生导师,目前主要从事材料摩擦学和材料化学研究. 266摩擦学学报第23卷[6～8,14～18]物如ZnS等相继研制成功.应当指出,目前无油减摩和抗磨作用并无实际意义.从这一角度而纳米有机2无机复合润滑添加剂尚未达到低成本、规言,研制开发具有特异减摩、抗磨和极压承载作用的模化生产,因而离实际应用尚有一定距离.此外,中国复合纳米润滑材料可能是实用和可行的选择之一.科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验2研究发展重点和趋势室近年来的研究表明,并非各种纳米颗粒皆具有润滑和抗磨作用,而纳米颗粒在含复合添加剂的调制油中软金属、氧化物、稀土化合物、硫化物纳米颗粒作的抗磨作用易被其它添加剂掩盖甚至减弱.为润滑油脂添加剂极具发展潜力,而其低成本、规模一般而言,纳米颗粒的粒度对润滑和抗磨性能具化制备技术的开发成功是其实现大规模工业应用的有重要影响.初步研究表明,粒径为15nm的Cu纳米首要条件.从发展趋势来看,应当注意深入系统地研颗粒在润滑油中的抗磨效果优于粒径为40nm的Cu究纳米颗粒组成、粒径、修饰剂成分等对润滑剂性能纳米颗粒.据此可以初步推测,粒径较小的纳米颗粒的影响,探讨抗磨或“自修复”机制,以指导纳米润滑作为润滑油添加剂在金属磨损表面的沉积及其对磨添加剂的研究开发.损表面的修复能力更强.而针对纳米颗粒形状同其润同时还应设计和发展具有良好抗磨性能、高承载滑效果相关性的研究至今尚未见报道,针对化合物性能力、对磨损表面具有一定磨损修复功能、对环境无质、类型与抗磨损性能的关系的研究亦亟待深入.污染或少污染的新型纳米润滑油脂添加剂,以满足高针对纳米颗粒的润滑抗磨机制,人们提出了纳米科技应用需要.颗粒在摩擦力作用下的微滚动及在磨损表面形成沉3结束语积润滑膜这2种主要观点;此外亦有人提出了纳米颗粒在摩擦力作用下渗入材料晶格内部从而起到强化通过化学修饰方法制备的在润滑油中具有良好作用的观点.基于纳米颗粒的低熔点和高化学活性,分散性的纳米颗粒作为润滑油添加剂通常具有良好作者认为沉积成膜可能性最大.尺寸很小的纳米颗粒的抗磨性能,优异的极压性能和一定的减摩性能.这在压应力作用下将优先沉积于磨损表面微观缺陷区主要是由于在摩擦过程中形成了纳米颗粒沉积膜以域,从而对磨损表面起到某种修复作用,进而起到良及由润滑剂活性元素同金属摩擦副表面相互作用生好的减摩和抗磨作用;由于新鲜磨损表面和纳米颗粒成的摩擦化学反应膜,二者组成复合边界润滑膜,从的化学活性均较高,可以预期所产生的沉积薄膜同磨而有效地提高润滑剂的摩擦学性能.今后应该重点加损表面的结合强度较高,这也有利于更好地发挥纳米强环境友好、具有良好抗磨性能、高承载能力、对磨损颗粒的减摩抗磨作用.由于纳米材料本征特性的不表面具有修复功能的新型多功能纳米润滑添加剂的同,不同的无机纳米颗粒作为润滑油添加剂表现出不研究,同时加强纳米润滑材料的制备和表征技术以及同的润滑、抗磨及承载作用.应该强调的是,由于超薄结构同性能的关系研究.润滑膜原位分析表征手段的欠缺,上述关于纳米润滑参考文献:添加剂抗磨作用机理的不同观点均缺乏直接的实验证据.此外,尽管某些无机纳米颗粒如氧化物、稀土化[1]ZhangZhijun,ZhangJun,XueQunji.Thesynthesisand合物、硫化物、软金属等在润滑油中的分散稳定性不characterizationofmolybdenumdisulfidenanocluster[J].JPhysicalChemistry,1994,99:12973212977.佳,但其在润滑脂中的应用不容忽视.作者预期,将纳[2]XueQunji,LiuWeimin,ZhangZhijun.Frictionandwear米颗粒引入传统润滑脂完全有可能研制出具有优良propertiesofasurface2modifiedTiO2nanoparticleasanadditive抗磨损性能和高承载能力的润滑脂新产品.inliquidparaffin[J].Wear,1997,213:29232.从环境保护的角度而言,纳米颗粒作为润滑油脂[3]ZhouJingfang,WuZhishen,ZhangZhijun,etal.Studyonan添加剂具有环境友好的特性.这一方面是由于其在润antiwearandextremepressureadditiveofsurfacecoatedLaF3滑油脂中的用量很小,另一方面更是因为有机2无机nanoparticlesinliquidparaffin[J].Wear,2001,249:3332337.[4]ZhangZefu,LiuWeimin,XueQunji.TheeffectofLaF3复合纳米颗粒添加剂中由C、H、O组成的有机修饰剂nanoclustermodifiedwithsuccinimideonthelubricating分子对环境潜在的负面影响极小.performanceofliquidparaffinforsteel2on2steelsystem[J].应当注意的是,润滑油除了起到润滑、抗磨损、提TribologyInternational,2001,34:83288.高承载能力等作用外,还可起到传递摩擦热和冷却摩[5]ZhangZefu,LiuWeimin,XueQunji.Studyonlubricating擦副的作用.因此,单纯强调纳米颗粒润滑添加剂的mechanismsofLa(OH)3nanoclustermodifiedbycompound 第4期刘维民:纳米颗粒及其在润滑油脂中的应用267containingnitrogeninliquidparaffin[J].Wear,1998,218:behaviorofoleicacidcoatedPbOnanoparticlesasadditive[J].1392144.Tribology,2001,21(5):344247.[6]ChenShuang,LiuWeimin.PreparationofDDP2coatedPbS[13]ZhouJingfang,ZhangZhijun,WangXiaobo,etal.Investigationnanoparticlesandinvestigationoftheantiwearabilityoftheofthetribologicalbehaviorofoil2solubleCunanoparticlesaspreparednanoparticlesasadditiveinliquidparaffin[J].Wear,additiveinliquidparaffin[J].Tribology,2000,20(2):12321998,218:1532158.126.[7]ChenShuang,LiuWeimin.Preparationandcharacterizationof[14]LiuWeimin,ChenShuang.Aninvestigationofthetribologicalsurface2coatedZnSnanoparticles[J].Langmuir,1999,15:8behaviourofsurface2modifiedZnSnanoparticlesinliquid10028104.paraffin[J].Wear,2000,238:1202124.[8]ChenShuang,LiuWeimin.StudyonthestructureofPbS[15]ChenShuang,LiuWeimin.Characterizationandantiwearnanoparticlescoatedwithdialkyldithiophosphate[J].JMaterabilityofnon2coatedZnSnanoparticlesandDDP2coatedZnSRes,1999,14:214722151.nanoparticles[J].MaterialsResearchBulletin,2001,36:1372[9]GaoYongjian,ZhangZhijun,XueQunji,etal.Studyonthe143.frictionandwearpropertiesofGCr15steelunderlubricationof[16]XuBinshi,OuZhongwen,LiuWeimin.In2situsynthesisandwatercontainingoleicacid2modifiedTiO2nanoparticle[J].tribologicalbehaviorofnanometerZnS[J].Tribology,2002,Tribology,2000,20(1):22225.22(4Z):12215.[10]SunRong,LiMingjing,GaoYongjian,etal.Studyonthe[17]SunLei,ZhangZhijun,WangZhihua,etal.Preparationandcuttingpropertiesofwater2basedemulsifiedliquidcontainingtribologicalperformanceofcupricsulfidepolyanilinecompositeOA2TiO2nanoparticlesandteasaponins[J].Tribology,2002,nanoparticlesasadditiveinliquidparaffin[J].Tribology,2002,22(4):2542257.22(4Z):31233.[11]ZhaoYanbao,ZhouJingfang,ZhangZhijun,etal.Effectof[18]LiuWeimin,ZhangZefu,ChenShuang,etal.TheresearchandoleateöPSöTiO2compositenanospheresasadditiveontheapplicationofcolloidaslubricants[J].JDispersionScienceandantiwearandextremepropertiesofliquidparaffin[J].Technology,2000,21:4692490.Tribology,2001,21(1):73275.[12]ChenShuang,LiuWeimin,OuZhongwen,etal.TribologicalApplicationofNanoparticlesinLubricantsLIUWei2min(StateKeyLaboratoryofSolidLubrication,LanzhouInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)Abstract:Nanomaterialshavegreatpotentialaslubricatingmaterialsorfordevelopmentofadvancedlubricationtechnology.Recently,nanoparticlesasoiladditiveshavegainedmoreandmoreattentionforpurposeofreducingfrictionandwear.Ithasbeenfoundthatvariousinorganicnanoparticlessuchassulfides,oxides,rareearthfluorides,andcopperasoiladditivesarecapableofconsiderablyreducingwearandincreasingload2carryingcapacity.Thiscouldbeattributedtotheformationofaboundaryfilmcomposedofthedepositednanoparticlesandthetribochemicalreactionproductsoftheactiveelementsinthelubricantswiththelubricatedmetalsurfaces,whichhasbeentestifiedbytheanalysisofthewornsurfacewithofX2rayphotoelectronspectroscopyandscanningelectronmicroscopy.Theinorganicnanoparticlesaslubricatingoiladditivesarealsocapableofhealingthewornmetalsurfaces,owingtoitsstrongactivityandinteractiontherewith.However,furtherworkisneededtodecreasethecostofnanoparticlesbyrealizinglarge2scaleproduction,beforetheyfindwideindustrialapplication.Itisthussuggestedtofocusonthestudyofnovelmethodologyforthepreparationofnanomaterialsandonthedevelopmentofnovelmultifunctionalandenvironmentallyfriendlynanoparticlesaslubricatingoilandgreaseadditives.Keywords:nanoparticles;lubricatingoilandgreaseadditive;antiwearabilityAuthor:LIUWei2min,male,bornin1962,Ph.D.,ResearchProfessor,e2mail:wmliu@ns.lzb.ac.cn.
