兩個(gè)互相接觸的固體表面在滑動、滾動或沖擊運(yùn)動時(shí)，總會不可避免地產(chǎn)生磨損，造成表面損傷或脫落，影響其使用性能。有人估計(jì)，世界上目前消耗的能源，約有三分之一到二分之一都表現(xiàn)為各種形式的摩擦損失，因此為了減少機(jī)器的運(yùn)行成本、減少維護(hù)及維修停機(jī)時(shí)的損失，潤滑劑的應(yīng)用得到了大力推廣。

嚴(yán)重磨損的葉輪

不過，單純的通過潤滑油和工藝改進(jìn)或合成某種新型化合物已經(jīng)滿足不了使用要求或是經(jīng)濟(jì)效益，因此潤滑油添加劑得到了迅速發(fā)展。而隨著納米材料和摩擦學(xué)研究的不斷深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)納米顆粒分散于潤滑油后也可以起到抗磨減摩的作用，因此納米金屬粉、納米金剛石、納米無機(jī)鹽等材料也得以一展手腳。其中，由于納米金屬粉制造簡便，以及與摩擦副材料良好的兼容性，使它具備了更廣闊的應(yīng)用前景。

一、納米金屬粉的潤滑機(jī)理

納米金屬粉潤滑劑是將粒徑為50~100nm的球形納米金屬粉（包括銅、鎳、鋁等有色金屬及其合金）以適當(dāng)?shù)姆绞椒稚⒂诟鞣N潤滑油中從而形成的一種均勻、穩(wěn)定的懸浮液。納米金屬粉之所以能起到良好的減摩作用，歸納起來主要為以下4個(gè)方面:

①滲透和摩擦化學(xué)作用。分散在潤滑油中的納米顆粒，由于其高的表面能，在摩擦剛剛開始時(shí)，這些顆粒就吸附在摩擦表面上，形成一層物理吸附膜，納米顆粒中的元素滲透到金屬的亞表面或在摩擦表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堅(jiān)固耐磨的化學(xué)反應(yīng)膜，將摩擦金屬表面隔開，降低了摩擦、磨損。

②滾珠作用。納米潤滑劑之所以有較好的潤滑效果，是由于納米粉體顆粒為球形，它們起一種類似“球軸承”的作用，從而提高了潤滑性能;同時(shí)在重載荷和高溫條件下，摩擦表面間的球形顆粒被壓平，形成一滑動系，降低了摩擦和磨損。

③吸附作用。用于修飾納米顆粒的有機(jī)物易吸附于摩擦金屬表面上，生成一層有機(jī)復(fù)合膜，將金屬表面隔開，起到了減摩抗磨的作用。

④修復(fù)作用。納米金屬粉可以填充工作表面的微坑和損傷部位，起到修復(fù)作用。

納米銅粉TEM形貌

二、納米金屬粉在潤滑劑中的應(yīng)用優(yōu)勢

納米金屬粉添加劑加入量很少、極壓抗磨性能優(yōu)良，適合重載、高速、性能突出，大量研究表明，納米金屬粉的加入 2 %~5 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的量即可，適宜從室溫到高溫（800℃左右）的全程潤滑。

納米金屬粉作為添加劑，其潤滑作用不再取決于添加劑元素對基體是否具有化學(xué)活性，而是取決于添加劑是否能與基體組分形成擴(kuò)散層、滲透層或固溶體，從而使?jié)櫥椭兴杼砑拥暮?/span>S、P等添加劑的量可大大降低或者消失，這樣可望解決潤滑油添加劑長期依賴S、P、Cl等活性元素的狀況。

在金屬納米粉體中，納米銅粉和納米鉍粉都具有優(yōu)良的潤滑性能。研究表明，納米銅粉具有顯著改善潤滑油抗磨減磨性能和動態(tài)沉積自修復(fù)性能，特殊情況下還能表現(xiàn)出“負(fù)磨損”現(xiàn)象；而環(huán)境友好型的重金屬元素鉍，也是一種優(yōu)良的潤滑材料，它與常用的潤滑油添加劑的活性元素硫、磷具有協(xié)同效應(yīng)，而且單一的鉍納米微粒添加很少的量就能夠顯然改善基礎(chǔ)油的減摩抗磨性能和承載能力，納米銅粉和納米鉍粉均可望成為綠色潤滑油添加劑的成分之一。

空白潤滑油與加入Cu粉的潤滑油效果對比

三、制備要點(diǎn)

納米金屬粉潤滑劑的制備過程中，有兩點(diǎn)十分關(guān)鍵，一是納米金屬粉體的制備；二是納米金屬粉體在潤滑油中的分散。

1.納米金屬粉體的制備

納米粉體的制備關(guān)鍵在于控制顆粒的大小，獲得粒徑較窄且均勻的粒度分布。納米金屬粉體的制備主要分為物理法和化學(xué)法。

物理法

物理法是指將粒徑較大的物質(zhì)用低溫、超聲波、水錘、高能球、沖擊粉碎等方法進(jìn)行破碎，或者采用沉積和晶化法等制備納米顆粒。近幾年還開發(fā)了新的物理方法，如光刻和激光刻等。

化學(xué)法

化學(xué)法則是是通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，從分子、原子出發(fā)制備納米材料，分為氣相、液相和固相反應(yīng)法。

①氣相反應(yīng)法是一種常用的方法，利用兩種或者多種氣體或蒸氣相互反應(yīng)，控制濃度、溫度和混合速度，可制備納米顆粒。

②液相反應(yīng)法是在溶液中進(jìn)行的，控制反應(yīng)物的濃度、溫度和攪拌速度，可制備不同尺寸的納米級固體微粒。液相反應(yīng)法可分為水解法、水熱法和還原法，可根據(jù)不同的需要，采用相應(yīng)的方法制備納米顆粒。

③固相反應(yīng)方法是利用金屬鹽和金屬有機(jī)化合物的熱分解來制備納米顆粒。

2.納米金屬粉在潤滑油中的混合分散

納米金屬粉體本身具有比表面積大、高擴(kuò)散性、易吸附等特點(diǎn)，是其實(shí)現(xiàn)自修復(fù)功能的前提條件，但也導(dǎo)致微納米材料在潤滑介質(zhì)中分散穩(wěn)定性較差，容易團(tuán)聚沉淀而失去其減摩自修復(fù)功能，因此在應(yīng)用時(shí)必須要解決其分散穩(wěn)定性問題，常用的分散技術(shù)主要分為物理分散和化學(xué)分散兩種：

物理分散

物理分散可分為機(jī)械攪拌分散和超聲波分散。

①機(jī)械攪拌分散：主要是借助外界剪切力或撞擊力等機(jī)械能，使納米粒子在介質(zhì)中充分分散的一種形式。機(jī)械攪拌分散的具體形式有研磨分散、膠體磨分散、球磨分散、砂磨分散、高速攪拌等。

②超聲波分散：超聲波分散是降低納米微粒團(tuán)聚的有效方法，利用超聲空化時(shí)產(chǎn)生的局部高溫、高壓或強(qiáng)沖擊波和微射流等，可較大幅度地弱化納米微粒間的納米作用能，有效地防止納米微粒團(tuán)聚而使之充分分散。

化學(xué)分散

化學(xué)分散實(shí)質(zhì)上是利用表面化學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)的一種分散方法。可通過以下兩種途徑來實(shí)現(xiàn)：

①表面化學(xué)修飾：通過納米微粒表面與處理劑之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，改變納米微粒表面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，達(dá)到表面改性的目的，稱為納米微粒的表面化學(xué)修飾。大致可分為以下三類：

a.偶聯(lián)劑法。具有兩性結(jié)構(gòu)的偶聯(lián)劑，其分子中的一部分基團(tuán)可與粉體表面的各種官能團(tuán)反應(yīng)，另一部分基團(tuán)可與有機(jī)高聚物發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng)或物理纏繞。經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的粉體，既抑制了粉體本身的團(tuán)聚，又增強(qiáng)了納米微粒在有機(jī)介質(zhì)中的可溶性。

b.酯化反應(yīng)。金屬氧化物與醇的反應(yīng)稱為酯化反應(yīng)。用酯化反應(yīng)對納米微粒進(jìn)行表面修飾,重要的是使原來親水疏油的表面變成親油疏水的表面,這種表面功能的改性在實(shí)際應(yīng)用中十分重要。

c.表面接枝改性法。利用納米微粒的表面基團(tuán),與有機(jī)化合物反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)鍵接,形成納米有機(jī)接枝化合物,通過有機(jī)支鏈化合物在有機(jī)介質(zhì)中的可溶性,增強(qiáng)納米粒子在有機(jī)介質(zhì)中的分散。

②分散劑分散:主要是通過分散劑吸附改變粒子的表面電荷分布，產(chǎn)生靜電穩(wěn)定和空間位障穩(wěn)定作用來達(dá)到分散效果。分散劑分散法可用于各種基體納米復(fù)合材料制備過程中的分散，但加入分散劑的量不足或過大時(shí)可能會引起絮凝。

四、總結(jié)

要想提高潤滑劑的質(zhì)量，最關(guān)鍵的就是基礎(chǔ)油的優(yōu)劣，但微納米潤滑材料也對改善潤滑劑質(zhì)量起到非常關(guān)鍵的作用。通過對納米潤滑材料的研發(fā)，可有力推動潤滑劑技術(shù)的突破與創(chuàng)新，為摩擦學(xué)領(lǐng)域開拓了一片廣闊的天地。而金屬納米粉作為其中的重要組成，必將得到進(jìn)一步的研究及重用。

資料來源：

金屬納米顆粒潤滑添加劑減摩抗磨機(jī)理及性能的研究，李晛。

納米金屬粉在潤滑中的應(yīng)用，董國軍，羅云霞，曲建俊。

潤滑劑中微納米潤滑材料的研究現(xiàn)狀，張博，徐濱，許一，張保森。

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