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

嚴重磨損的葉輪

不過，單純的通過潤滑油和工藝改進或合成某種新型化合物已經滿足不了使用要求或是經濟效益，因此潤滑油添加劑得到了迅速發展。而隨著納米材料和摩擦學研究的不斷深入，科學家們發現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用前景。

一、納米金屬粉的潤滑機理

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）以適當的方式分散于各種潤滑油中從而形成的一種均勻、穩定的懸浮液。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個方面:

①滲透和摩擦化學作用。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，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生化學反應，生成堅固耐磨的化學反應膜，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物易吸附于摩擦金屬表面上，生成一層有機復合膜，將金屬表面隔開，起到了減摩抗磨的作用。

④修復作用。納米金屬粉可以填充工作表面的微坑和損傷部位，起到修復作用。

納米銅粉TEM形貌

二、納米金屬粉在潤滑劑中的應用優勢

納米金屬粉添加劑加入量很少、極壓抗磨性能優良，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 %（質量分數）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活性，而是取決于添加劑是否能與基體組分形成擴散層、滲透層或固溶體，從而使潤滑油中所需添加的含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沉積自修復性能，特殊情況下還能表現出“負磨損”現象；而環境友好型的重金屬元素鉍，也是一種優良的潤滑材料，它與常用的潤滑油添加劑的活性元素硫、磷具有協同效應，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

納米金屬粉潤滑劑的制備過程中，有兩點十分關鍵，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法。

物理法

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

化學法

化學法則是是通過適當的化學反應，從分子、原子出發制備納米材料，分為氣相、液相和固相反應法。

①氣相反應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，控制濃度、溫度和混合速度，可制備納米顆粒。

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

③固相反應方法是利用金屬鹽和金屬有機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、高擴散性、易吸附等特點，是其實現自修復功能的前提條件，但也導致微納米材料在潤滑介質中分散穩定性較差，容易團聚沉淀而失去其減摩自修復功能，因此在應用時必須要解決其分散穩定性問題，常用的分散技術主要分為物理分散和化學分散兩種：

物理分散

物理分散可分為機械攪拌分散和超聲波分散。

①機械攪拌分散：主要是借助外界剪切力或撞擊力等機械能，使納米粒子在介質中充分分散的一種形式。機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聚的有效方法，利用超聲空化時產生的局部高溫、高壓或強沖擊波和微射流等，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聚而使之充分分散。

化學分散

化學分散實質上是利用表面化學方法來實現的一種分散方法。可通過以下兩種途徑來實現：

①表面化學修飾：通過納米微粒表面與處理劑之間進行化學反應，改變納米微粒表面結構和狀態，達到表面改性的目的，稱為納米微粒的表面化學修飾。大致可分為以下三類：

a.偶聯劑法。具有兩性結構的偶聯劑，其分子中的一部分基團可與粉體表面的各種官能團反應，另一部分基團可與有機高聚物發生某些化學反應或物理纏繞。經偶聯劑處理后的粉體，既抑制了粉體本身的團聚，又增強了納米微粒在有機介質中的可溶性。

b.酯化反應。金屬氧化物與醇的反應稱為酯化反應。用酯化反應對納米微粒進行表面修飾,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際應用中十分重要。

c.表面接枝改性法。利用納米微粒的表面基團,與有機化合物反應產生化學鍵接,形成納米有機接枝化合物,通過有機支鏈化合物在有機介質中的可溶性,增強納米粒子在有機介質中的分散。

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，產生靜電穩定和空間位障穩定作用來達到分散效果。分散劑分散法可用于各種基體納米復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可能會引起絮凝。

四、總結

要想提高潤滑劑的質量，最關鍵的就是基礎油的優劣，但微納米潤滑材料也對改善潤滑劑質量起到非常關鍵的作用。通過對納米潤滑材料的研發，可有力推動潤滑劑技術的突破與創新，為摩擦學領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理及性能的研究，李晛。

納米金屬粉在潤滑中的應用，董國軍，羅云霞，曲建俊。

潤滑劑中微納米潤滑材料的研究現狀，張博，徐濱，許一，張保森。

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