LaF₃納米顆粒的制備及其潤(rùn)滑作用

尤建偉 李芬芳 范成凱

摘要:LaF₃納米材料作為一種新型的潤(rùn)滑油添加劑顯示出了優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。文章綜述了近年來LaF₃納米材料的制備方法、表面改性技術(shù)以及潤(rùn)滑作用機(jī)制和應(yīng)用進(jìn)展,指出LaF₃納米材料在潤(rùn)滑中所面臨主要問題是它的分散性和穩(wěn)定性問題。展望了LaF₃納米材料作為潤(rùn)滑添加劑的發(fā)展趨勢(shì)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,LaF₃納米顆粒作為極壓抗磨劑是未來的發(fā)展方向,在摩擦學(xué)領(lǐng)域中它的摩擦學(xué)性能和潤(rùn)滑機(jī)理必將受到人們更為廣泛的關(guān)注。

關(guān)鍵詞:LaF₃;納米材料;潤(rùn)滑

中圖分類號(hào):TE624.82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Survey of Preparation and Lubrication of LaF₃Nanoparticles as Lubricating Oil Additive

YOU Jian-wei, LI Fen-fang, FAN Cheng-kai

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

Abstract:LaF₃nanomaterials have shown excellent tribological properties as a kind of new additive in lubricating oil and grease. The preparation method, surface-modification technology, lubricating mechanism and application development of LaF₃nanomaterials are summarized in this paper. It is pointed out that the key problems of LaF₃nanoparticles in lubricant are the dispersity and stability. The future development of LaF₃nanomaterials as lubricating oil additive is presented as well. With the accelerative development of modern industry nowadays, LaF₃nanomaterials will be a young conception in the field of tribology. And the tribological properties and lubricating mechanism will be gotten more and more attention. Key words:LaF₃; nanomaterials; lubrication

0 前言

納米微粒是指顆粒尺度為納米量級(jí)(1~100 nm)的超細(xì)微粒。當(dāng)材料的顆?？s小到只有幾納米到幾十納米時(shí),材料的性質(zhì)發(fā)生了意想不到的變化。由于組成納米材料的超微粒尺度,其界面原子數(shù)量比例極大,一般占總原子數(shù)的40%～50%,使材料本身具有宏觀量子隧道、表面和界面等效應(yīng),從而具有許多與傳統(tǒng)材料不同的物理、化學(xué)性質(zhì)[1]。納米材料是當(dāng)前材料學(xué)科研究的熱點(diǎn)之一。納米材料的奇異特性和廣闊的應(yīng)用前景,使得材料、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、原子物理、配位化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和表面、界面科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家紛紛投身于納米材料的研究工作中[2]。由于納米材料具有比表面積大、高擴(kuò)散性、易燒結(jié)性、熔點(diǎn)降低等特性,可以預(yù)見新型納米潤(rùn)滑材料應(yīng)用于摩擦系統(tǒng)中,將以不同于傳統(tǒng)添加劑的作用方式,起到減摩抗磨作用[3]。納米粒子作為潤(rùn)滑油添加劑在國(guó)外已研究多年,并有產(chǎn)品投放到中國(guó)市場(chǎng)如美國(guó)的JB、加拿大的倍力、美國(guó)的APOLLO等。這些產(chǎn)品具有降低摩擦、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、降低噪音、修補(bǔ)金屬表面等優(yōu)點(diǎn),主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)、有摩擦、有燃燒的各種儀器、設(shè)備等。而我國(guó)的納米潤(rùn)滑油添加劑還處在研制及如何添加到潤(rùn)滑油的階段[4]。

鑭元素位于元素周期表中第六周期第ⅢB族,原子序數(shù)為57。研究發(fā)現(xiàn):LaF₃納米材料作為潤(rùn)滑油添加劑具有優(yōu)良的抗磨減摩性能,同時(shí),與常用潤(rùn)滑油添加劑的活性元素具有協(xié)同效應(yīng)。由于鑭元素是鑭系的第一個(gè)元素,鑭化合物與其他鑭系化合物的化學(xué)性質(zhì)相似,因此研究LaF₃納米材料對(duì)于研究其他鑭系納米材料具有一定的指導(dǎo)意義。本文綜述近年來LaF₃納米材料的制備、相關(guān)的摩擦學(xué)性能及在潤(rùn)滑油中的作用機(jī)制和應(yīng)用進(jìn)展,并指出了LaF₃作為潤(rùn)滑油添加劑在摩擦學(xué)中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),以及需要解決的技術(shù)難題。

1 LaF₃納米材料的制備和穩(wěn)定分散技術(shù)

1.1 LaF₃納米材料的制備方法

納米微粒制備方法按有無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類[5-6]。物理方法是利用低溫、超聲波、水錘、高能球和沖擊波粉碎等方法對(duì)較粗物質(zhì)的顆粒進(jìn)行粉碎,制成納米顆粒?；瘜W(xué)方法是通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng),從分子、原子出發(fā)制備納米材料的方法,化學(xué)方法按分散介質(zhì)種類可分為液相、固相和氣相三種反應(yīng)方法。LaF₃納米材料通常采用化學(xué)方法制備。

1.1.1 液相反應(yīng)法

液相反應(yīng)法是目前實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)制備納米粒子的主要方法,其原理是在溶液中對(duì)不同的分子或離子進(jìn)行反應(yīng),控制反應(yīng)物濃度、溫度和攪拌速度,可得到納米級(jí)固體產(chǎn)物。液相法一般分為水熱法、微乳液聚合法、沉淀法、溶膠—凝膠法、聚合物基模板法等。而LaF₃納米粒子的制備主要有以下幾種方法。

(1)溶劑熱法

溶劑熱法是制備一維納米材料的簡(jiǎn)單方法。張茂峰[7]等通過利用溶劑熱法制備的LaF₃納米線,結(jié)晶性好,為六方晶系,P3cl空間群。LaF₃納米線直徑約80 nm,長(zhǎng)度約4～8 μm。并且研究了它的形成機(jī)理:剛加入的F-與溶液中的自由La3+以一定的反應(yīng)速率結(jié)合成LaF₃晶粒;溶液中離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使晶粒成核長(zhǎng)大,當(dāng)周圍離子的擴(kuò)散速率小于成核速率時(shí),在邊緣處開始出現(xiàn)明顯的斷面從而形成一系列顆粒帶;晶體將沿生長(zhǎng)速度快的晶面方向生長(zhǎng)。并促使周圍晶粒發(fā)生團(tuán)聚和定向排列;定向排列的晶粒通過自組裝作用粘結(jié)在一起并重結(jié)晶成棒狀顆粒,這些棒狀顆?？赡芴峁┥L(zhǎng)納米線的初始模板。使顆粒帶中微粒擴(kuò)散到棒的兩端并發(fā)生晶體的成核和外延生長(zhǎng),從而形成細(xì)納米線。

(2)醇水法

陳爽等[8]在醇和水(V_醇∶V_米=1∶1)混合溶劑中合成了表面為油酸修飾的LaF₃納米粒子,所制備的LaF₃納米粒子大小均勻,粒徑約為8 nm,其納米核為六方結(jié)構(gòu)的LaF₃。易書理[9]通過相轉(zhuǎn)移將醇水法制備的表面修飾過的納米LaF₃,從水相轉(zhuǎn)移到油相(500SN基礎(chǔ)油),得到納米LaF₃含量為10.2%的液體添加劑。