润滑剂中的纳米金属粉体
2020-12-23 08:32:23
两个互相接触的固体表面在滑动、滚动或冲击运动时，总会不可避免地产生磨损，造成表面损伤或脱落，影响其使用性能。有人估计，世界上目前消耗的能源，约有三分之一到二分之一都表现为各种形式的摩擦损失，因此为了减少机器的运行成本、减少维护及维修停机时的损失，润滑剂的应用得到了大力推广。
严重磨损的叶轮
不过，单纯的通过润滑油和工艺改进或合成某种新型化合物已经满足不了使用要求或是经济效益，因此润滑油添加剂得到了迅速发展。而随着纳米材料和摩擦学研究的不断深入，科学家们发现纳米颗粒分散于润滑油后也可以起到抗磨减摩的作用，因此纳米金属粉、纳米金刚石、纳米无机盐等材料也得以一展手脚。其中，由于纳米金属粉制造简便，以及与摩擦副材料良好的兼容性，使它具备了更广阔的应用前景。
一、纳米金属粉的润滑机理
纳米金属粉润滑剂是将粒径为50~100nm的球形纳米金属粉（包括铜、镍、铝等有色金属及其合金）以适当的方式分散于各种润滑油中从而形成的一种均匀、稳定的悬浮液。纳米金属粉之所以能起到良好的减摩作用，归纳起来主要为以下4个方面:
①渗透和摩擦化学作用。分散在润滑油中的纳米颗粒，由于其高的表面能，在摩擦刚刚开始时，这些颗粒就吸附在摩擦表面上，形成一层物理吸附膜，纳米颗粒中的元素渗透到金属的亚表面或在摩擦表面上发生化学反应，生成坚固耐磨的化学反应膜，将摩擦金属表面隔开，降低了摩擦、磨损。
②滚珠作用。纳米润滑剂之所以有较好的润滑效果，是由于纳米粉体颗粒为球形，它们起一种类似“球轴承”的作用，从而提高了润滑性能;同时在重载荷和高温条件下，摩擦表面间的球形颗粒被压平，形成一滑动系，降低了摩擦和磨损。
③吸附作用。用于修饰纳米颗粒的有机物易吸附于摩擦金属表面上，生成一层有机复合膜，将金属表面隔开，起到了减摩抗磨的作用。
④修复作用。纳米金属粉可以填充工作表面的微坑和损伤部位，起到修复作用。
纳米铜粉TEM形貌
二、纳米金属粉在润滑剂中的应用优势
纳米金属粉添加剂加入量很少、极压抗磨性能优良，适合重载、高速、性能突出，大量研究表明，纳米金属粉的加入 2 %~5 %（质量分数）的量即可，适宜从室温到高温（800℃左右）的全程润滑。
纳米金属粉作为添加剂，其润滑作用不再取决于添加剂元素对基体是否具有化学活性，而是取决于添加剂是否能与基体组分形成扩散层、渗透层或固溶体，从而使润滑油中所需添加的含S、P等添加剂的量可大大降低或者消失，这样可望解决润滑油添加剂长期依赖S、P、Cl等活性元素的状况。
在金属纳米粉体中，纳米铜粉和纳米铋粉都具有优良的润滑性能。研究表明，纳米铜粉具有显著改善润滑油抗磨减磨性能和动态沉积自修复性能，特殊情况下还能表现出“负磨损”现象；而环境友好型的重金属元素铋，也是一种优良的润滑材料，它与常用的润滑油添加剂的活性元素硫、磷具有协同效应，而且单一的铋纳米微粒添加很少的量就能够显然改善基础油的减摩抗磨性能和承载能力，纳米铜粉和纳米铋粉均可望成为绿色润滑油添加剂的成分之一。
空白润滑油与加入Cu粉的润滑油效果对比
三、制备要点
纳米金属粉润滑剂的制备过程中，有两点十分关键，一是纳米金属粉体的制备；二是纳米金属粉体在润滑油中的分散。
1.纳米金属粉体的制备
纳米粉体的制备关键在于控制颗粒的大小，获得粒径较窄且均匀的粒度分布。纳米金属粉体的制备主要分为物理法和化学法。
物理法
物理法是指将粒径较大的物质用低温、超声波、水锤、高能球、冲击粉碎等方法进行破碎，或者采用沉积和晶化法等制备纳米颗粒。近几年还开发了新的物理方法，如光刻和激光刻等。
化学法
化学法则是是通过适当的化学反应，从分子、原子出发制备纳米材料，分为气相、液相和固相反应法。
①气相反应法是一种常用的方法，利用两种或者多种气体或蒸气相互反应，控制浓度、温度和混合速度，可制备纳米颗粒。
②液相反应法是在溶液中进行的，控制反应物的浓度、温度和搅拌速度，可制备不同尺寸的纳米级固体微粒。液相反应法可分为水解法、水热法和还原法，可根据不同的需要，采用相应的方法制备纳米颗粒。
③固相反应方法是利用金属盐和金属有机化合物的热分解来制备纳米颗粒。
2.纳米金属粉在润滑油中的混合分散
纳米金属粉体本身具有比表面积大、高扩散性、易吸附等特点，是其实现自修复功能的前提条件，但也导致微纳米材料在润滑介质中分散稳定性较差，容易团聚沉淀而失去其减摩自修复功能，因此在应用时必须要解决其分散稳定性问题，常用的分散技术主要分为物理分散和化学分散两种：
物理分散
物理分散可分为机械搅拌分散和超声波分散。
①机械搅拌分散：主要是借助外界剪切力或撞击力等机械能，使纳米粒子在介质中充分分散的一种形式。机械搅拌分散的具体形式有研磨分散、胶体磨分散、球磨分散、砂磨分散、高速搅拌等。
②超声波分散：超声波分散是降低纳米微粒团聚的有效方法，利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等，可较大幅度地弱化纳米微粒间的纳米作用能，有效地防止纳米微粒团聚而使之充分分散。
化学分散
化学分散实质上是利用表面化学方法来实现的一种分散方法。可通过以下两种途径来实现：
①表面化学修饰：通过纳米微粒表面与处理剂之间进行化学反应，改变纳米微粒表面结构和状态，达到表面改性的目的，称为纳米微粒的表面化学修饰。大致可分为以下三类：
a.偶联剂法。具有两性结构的偶联剂，其分子中的一部分基团可与粉体表面的各种官能团反应，另一部分基团可与有机高聚物发生某些化学反应或物理缠绕。经偶联剂处理后的粉体，既抑制了粉体本身的团聚，又增强了纳米微粒在有机介质中的可溶性。
b.酯化反应。金属氧化物与醇的反应称为酯化反应。用酯化反应对纳米微粒进行表面修饰,重要的是使原来亲水疏油的表面变成亲油疏水的表面,这种表面功能的改性在实际应用中十分重要。
c.表面接枝改性法。利用纳米微粒的表面基团,与有机化合物反应产生化学键接,形成纳米有机接枝化合物,通过有机支链化合物在有机介质中的可溶性,增强纳米粒子在有机介质中的分散。
②分散剂分散:主要是通过分散剂吸附改变粒子的表面电荷分布，产生静电稳定和空间位障稳定作用来达到分散效果。分散剂分散法可用于各种基体纳米复合材料制备过程中的分散，但加入分散剂的量不足或过大时可能会引起絮凝。
四、总结
要想提高润滑剂的质量，最关键的就是基础油的优劣，但微纳米润滑材料也对改善润滑剂质量起到非常关键的作用。通过对纳米润滑材料的研发，可有力推动润滑剂技术的突破与创新，为摩擦学领域开拓了一片广阔的天地。而金属纳米粉作为其中的重要组成，必将得到进一步的研究及重用。
资料来源：
金属纳米颗粒润滑添加剂减摩抗磨机理及性能的研究，李晛。
纳米金属粉在润滑中的应用，董国军，罗云霞，曲建俊。
润滑剂中微纳米润滑材料的研究现状，张博，徐滨，许一，张保森。