纳米粉体在润滑油行业中的应用
2020-12-18 17:42:17
一、纳米粉体润滑的作用机理
纳米颗粒作为润滑材料的作用机理还没有系统的研究结论，目前有多种理论分析。一种认为，纳米颗粒尺寸较小，近似球型，在摩擦副间可以类似微轴承作用，减少了摩擦阻力，降低了摩擦系数，减少了磨损，这种“滚珠轴承”的摩擦原理目前还缺乏进一步的实验支持。另外一种理论是薄膜理论，认为在摩擦过程中纳米颗粒在摩擦副上形成一层纳米薄膜，纳米薄膜的功能不同于一般的薄膜，它的韧性、抗弯强度均大大优于一般薄。这层膜减小了摩擦，提高了承载能力从而减轻了磨损。另外，“第三体”抗磨机理认为，纳米颗粒添加剂对摩擦副凹凸表面的填充作用以及表面的摩擦化学反应形成了稳定的“第三体”，具备优越的抗磨效果。
二、目前常用纳米添加剂的种类及特点简介
1、纳米金属粉
超细金属粉以适当方式分散于各种润滑油中可形成一种稳定的悬浮液，这种润滑油每升中含有数百万个超细金属粉末颗粒，它们在摩擦过程中可以与固体表面相结合，形成光滑的保护层，同时填塞微划痕，从而大幅度降低摩擦和磨损，尤其在重载、低速和高温振动条件下作用更为显著。目前应用较多的金属纳米粉包括铜、锡、银粉末等，这些金属纳米粉有着与传统添加剂不同的减摩抗磨机理。
2、纳米金属氧化物
对于纳米金属，因其具有很高的比表面积，当温度升高时，在空气中极易发生氧化、团聚，进而在润滑油中沉淀下来，因此研究纳米氧化物作为添加剂这一课题十分活跃。试验结果表明，有机基团修饰的TiO2纳米粒子具有优良的抗磨、减摩能力，且减摩性能优于ZDDP。分析其作用机理认为，纳米粒子的小尺寸效应、表面效应等纳米效应引起n-TiO2熔点下降、烧结温度下降。在摩擦过程中，表面局部温度高，纳米TiO2处于熔化、半熔化或烧结状态，形成一层纳米陶瓷薄膜，它的韧性、抗弯强度均大大超出一般的薄膜，而纳米粒子又具有高扩散能力和自扩散能力，因此纳米TiO2粒子极可能在摩擦过程中扩散渗透到金属基体中，并且有可能与金属基体生成Fe2(TiO3)3、TiC等固溶体，从而表现出优异的抗磨减摩性能。
3、纳米氮化物
纳米氮化铝陶瓷粒子随润滑油作用于发动机内部的摩擦副金属表面，在高温和极压的作用下被激活，并牢固渗嵌到金属表面凹痕和微孔中，修复受损表面，形成纳米陶瓷保护膜。因为这层膜的隔离作用，从而极大的降低摩擦力，将运动机件间的摩擦降至近乎零，通过改善润滑，可降低摩擦系数、提高抗磨能力，可延长机械零件寿命。其添加量仅仅为万分之二。
4、其他类型纳米添加剂
稀土元素具有4f电子特征，其化合物具有许多特殊性能。随着纳米技术的发展，许多研究者纷纷将目光投向纳米稀土三氟化物在润滑油中的应用研究上。有研究者采用微乳液法制备含氮有机物修饰的纳米LaF3，摩擦学试验表明，纳米LaF3在液体石蜡中的承载能力略低于ZDDP，抗磨性能优于ZDDP。表面分析证明，表面修饰纳米LaF3经摩擦发生了化学反应，在表面生成了含C、N有机物的物理吸附膜，含氧化镧、氟化亚铁及四氧化三铁等无机物的化学反应膜，从而形成了边界润滑膜。
三、纳米粉体润滑添加剂的表面改性
由于纳米粉体的表面积大、表面能高使得纳米粉体很容易团聚，因此要保证纳米粉体在分散介质中以纳米级的颗粒存在并且不发生团聚，就要对其进行表面改性。纳米粉体的表面改性即纳米颗粒表面与表面改性剂发生作用，改善纳米粒子表面的可润湿性，增强纳米颗粒在介质中的界面相容性，使纳米粉体容易在有机化合物或水中分散。根据纳米颗粒与改性剂表面发生作用的方式，改性的机理可分为包覆改性、偶联改性等。
1、包覆改性
包覆改性也叫物理改性，即用无机化合物或者有机化合物(水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)对纳米粒子表面进行包覆，对纳米粉体团聚起到减弱或屏蔽，而且由于包覆物而产生了空间位阻斥力，使粒子再团聚十分困难，从而达到改性的目的。表面物理改性采用的方法主要有两种：1）在溶液或熔体中高分子沉积、吸附到颗粒表面包覆改性；2）单体吸附包覆后聚合。
2、表面化学改性
该方法可以在改性物和纳米颗粒之间产生很强的相互作用力。化学处理的放大主要有：表面活性剂法、表面接枝改性法、酯化法。
小结：纳米粉体材料独特的结构使其具有奇特而优异的摩擦学性能，以这些纳米粉体作为添加剂可使润滑油的减摩抗磨性能得到大幅度提高，同时在节约能源和改善尾气排放等方面的效果也十分突出，为解决润滑领域中长期未能解决的难题开辟一条了新途径，其应用前景非常广阔。开发适合工业化生产的高性价比纳米材料合成技术，优化纳米粒子大规模生产的制备工艺，提高纳米添加剂产品的稳定性，是未来纳米粉体润滑添加剂的技术主攻方向。综上所述，纳米材料在润滑领域有着广阔的前景，值得企业和科研机构投入人力及物质资源在该领域进行研发和创新。