結(jié)構(gòu)對(duì)納米二硫化鎢抗磨減摩性能影響研究

毛紀(jì)昕，胡建強(qiáng)，楊士釗，徐新，郭力

(空軍勤務(wù)學(xué)院 航空軍需與燃料系，江蘇 徐州 221000)

近年來，有研究者將納米二硫化鎢添加進(jìn)油品中，用來提升油品的潤(rùn)滑性能[1-2]。納米二硫化鎢晶體通過較弱的范德華力結(jié)合[3]，容易發(fā)生滑移，具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，并且獨(dú)特的結(jié)構(gòu)還使其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性能[4-7]。

有研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒在介質(zhì)中的含量多少、尺寸大小和晶型結(jié)構(gòu)等因素對(duì)其抗磨減摩性能都有不同程度的影響[8-10]。其中，納米顆粒的結(jié)構(gòu)是影響納米粒子在潤(rùn)滑油中發(fā)揮潤(rùn)滑效果的一個(gè)重要因素[11]。

本文主要對(duì)不同結(jié)構(gòu)的納米二硫化鎢進(jìn)行了對(duì)比研究，探究結(jié)構(gòu)對(duì)其潤(rùn)滑性能的影響，以期對(duì)納米二硫化鎢添加劑的開發(fā)利用提供更多的理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

90 nm二硫化鎢(包括片狀90 nm二硫化鎢、層狀90 nm二硫化鎢)，由中科院成都有機(jī)化學(xué)研究所提供；100 nm二硫化鎢，由上海在邦化工有限公司提供；500 SN基礎(chǔ)油，由上海高橋煉油廠提供；甲基萘、石油醚(60～90 ℃)均為分析純；試驗(yàn)鋼球(直徑為12.7 mm，材質(zhì)為精密軸承鋼CCr15，硬度為64HRC)，由上海鋼球廠提供。

MQ-10P四球試驗(yàn)機(jī)；CPA225D電子天平(0.1 mg)；BILON超聲波材料乳化分散器。

1.2 抗磨減摩性能測(cè)試

采用四球試驗(yàn)機(jī)，根據(jù) GB/T 12583—90 方法分別測(cè)試不同結(jié)構(gòu)的納米二硫化鎢在500 SN基礎(chǔ)油中的抗磨減摩性能。實(shí)驗(yàn)條件為：轉(zhuǎn)速 1 450 r/min，室溫，長(zhǎng)磨時(shí)間30 min，分別載荷294，392，490 N。實(shí)驗(yàn)前鋼球經(jīng)過石油醚超聲波清洗，除去其表面上的防護(hù)油脂。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米尺寸對(duì)二硫化鎢摩擦性能的影響

用電子天平分別準(zhǔn)確稱量0.002 5，0.005，0.01，0.015，0.025 g 90 nm二硫化鎢和100 nm二硫化鎢加入48 g 500 SN基礎(chǔ)油中，為了更好地分散材料，再加入2 g甲基萘分別配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%，0.01%，0.02%，0.03%和0.05%的90 nm二硫化鎢和100 nm二硫化鎢油樣進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

a.0.03%二硫化鎢油樣摩擦系數(shù)曲線圖(294 N)b.0.03%二硫化鎢油樣摩擦系數(shù)曲線圖(490 N)圖1 不同載荷下添加90 nm和100 nm二硫化鎢油樣摩擦系數(shù)曲線圖Fig.1 Friction coefficient curves of 90 nm and 100 nm tungsten disulfide under different loads

由圖1a可知，加入0.03%的90 nm二硫化鎢油樣與100 nm二硫化鎢油樣在294 N載荷下摩擦系數(shù)整體較低，基本低于0.10，最大值也沒有超過0.12，這說明90 nm和100 nm二硫化鎢在低載荷工作條件下抗磨性能優(yōu)異，較基礎(chǔ)油有明顯提升，并且90 nm二硫化鎢油樣摩擦系數(shù)更低，保持在0.09左右。由圖1b可知，在起動(dòng)的瞬間，100 nm二硫化鎢的摩擦系數(shù)瞬間達(dá)到最大值，高達(dá)0.3，可能是摩擦表面油膜破裂，出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，經(jīng)過短暫的磨合，摩擦系數(shù)又明顯降到0.1左右，90 nm二硫化鎢油樣在啟動(dòng)后10 min也達(dá)到了峰值，約0.19。經(jīng)過短時(shí)間磨合后油樣中的二硫化鎢會(huì)迅速修復(fù)摩擦表面不平整磨痕，使得摩擦系數(shù)迅速下降，基本穩(wěn)定在0.07～0.08之間，展示出優(yōu)異的減摩性能。

不同濃度的90 nm和100 nm二硫化鎢油樣抗磨實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

表1 90 nm二硫化鎢在基礎(chǔ)油中抗磨性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of anti-wear properties of90 nm tungsten disulfide in base oil

表2 100 nm二硫化鎢在基礎(chǔ)油中抗磨性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of anti-wear properties of100 nm tungsten disulfide in base oil

由表1、表2可知，甲基萘作為二硫化鎢的分散修飾劑不僅起到分散穩(wěn)定的作用，而且對(duì)減摩效果有著一定的提升。就整個(gè)抗磨效果來看，添加90 nm二硫化鎢的油樣磨斑直徑在低濃度下略小于添加100 nm二硫化鎢的油樣磨斑直徑，而在0.03%和0.05%高濃度下表現(xiàn)不如100 nm二硫化鎢。整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，加入0.01%的實(shí)驗(yàn)組整體減摩效果明顯，尤其是90 nm的二硫化鎢，在3個(gè)實(shí)驗(yàn)載荷下的四球抗磨實(shí)驗(yàn)時(shí)磨斑直徑比基礎(chǔ)油磨斑直徑分別縮小了21.9%，23.9%和35.7%，均達(dá)到實(shí)驗(yàn)中相應(yīng)載荷下的最小值，抗磨效果提升十分明顯。

2.2 空間結(jié)構(gòu)對(duì)二硫化鎢摩擦性能的影響

用電子天平分別準(zhǔn)確稱量 0.002 5，0.005，0.01，0.025 g 90 nm層狀二硫化鎢和片狀二硫化鎢加入48 g 500 SN基礎(chǔ)油中，為了更好地分散材料，再加入2 g甲基萘，分別配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%，0.01%，0.02%和0.05%的層狀和片狀二硫化鎢油樣進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2。

a.加入0.05%二硫化鎢油樣在294 N載荷下的摩擦曲線圖b.加入0.05%二硫化鎢油樣在490 N載荷下的摩擦曲線圖圖2 不同載荷下添加層狀和片狀二硫化鎢油樣摩擦系數(shù)曲線圖Fig.2 Friction coefficient curves of layered and flake tungsten disulfide under different loads

由圖2a可知，加入0.05%片狀二硫化鎢和層狀二硫化鎢摩擦曲線整體表現(xiàn)平穩(wěn)，即使摩擦過程中出現(xiàn)部分波動(dòng)，二硫化鎢也能快速發(fā)揮減摩修復(fù)功能，使摩擦再次趨于平穩(wěn)。由圖2b可知，片狀二硫化鎢與層狀二硫化鎢摩擦曲線差異明顯，片狀二硫化鎢油樣的潤(rùn)滑油膜在起動(dòng)瞬間就出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，摩擦系數(shù)瞬間達(dá)到最高值0.4，磨損嚴(yán)重，但當(dāng)運(yùn)行平穩(wěn)后，油樣中的二硫化鎢會(huì)迅速填充到摩擦副表面的破裂處，使得摩擦系數(shù)基本降至0.12左右，而層狀二硫化鎢從啟動(dòng)開始就表現(xiàn)出良好的減摩性能，摩擦系數(shù)一直穩(wěn)定在0.7的較低水平。綜上可見，片狀二硫化鎢油樣在啟動(dòng)瞬間容易發(fā)生嚴(yán)重磨損，與基礎(chǔ)油相似，而層狀二硫化鎢可以很好解決這一問題，所以層狀二硫化鎢減摩性能整體優(yōu)于片狀二硫化鎢。

表3 片狀二硫化鎢在基礎(chǔ)油中抗磨性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of anti-wear properties offlake tungsten disulfide in base oil

表4 層狀二硫化鎢在基礎(chǔ)油中抗磨性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of anti-wear properties oflayered tungsten disulfide in base oil

由表3、表4可知，在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%的情況下，片狀二硫化鎢油樣在294 N載荷下的鋼球磨斑直徑為0.580 mm，較基礎(chǔ)油并無太大提升，而層狀二硫化鎢294 N載荷下的鋼球磨斑直徑(WSD)為0.543 mm，縮小了10.9%。在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的情況下，二硫化鎢都表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨性能，尤其是層狀二硫化鎢，294，392，490 N的鋼球磨斑直徑分別為0.476，0.525，0.566 mm，在490 N高載荷下提升幅度>35%，抗磨效果提升十分明顯。而在加入0.05%二硫化鎢后，片狀二硫化鎢294 N載荷下鋼球磨斑直徑(WSD)和392 N載荷下鋼球磨斑直徑(WSD)較基礎(chǔ)油來講有所變大，潤(rùn)滑效果變差，而層狀二硫化鎢鋼球磨斑直徑(WSD)分別為0.582，0.588，0.733 mm，減摩提升幅度僅為4.6%，14.8%和16.7%，說明在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下二硫化鎢的潤(rùn)滑效果不明顯，可能與其分散效果有關(guān)。

2.3 結(jié)構(gòu)對(duì)納米二硫化鎢抗磨減摩性能影響機(jī)理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，結(jié)構(gòu)對(duì)納米二硫化鎢抗磨減摩性能有著顯著的影響。在納米尺寸上，90 nm的二硫化鎢整體潤(rùn)滑效果優(yōu)于100 nm的二硫化鎢，可能是在甲基萘的作用下，90 nm的二硫化鎢尺寸更小，在油中的分散度更好，從而更好地發(fā)揮抗磨減摩作用。但90 nm二硫化鎢由于其表面能更大，容易在高濃度條件下互相吸附團(tuán)聚[12-14]，導(dǎo)致添加量較大時(shí)潤(rùn)滑效果反而不如100 nm的二硫化鎢。而層狀納米二硫化鎢比片狀二硫化鎢在摩擦表面間更容易形成有序排列，并憑借其易滑動(dòng)的少層結(jié)構(gòu)來改善潤(rùn)滑[15-16]，提高油品抗磨減摩性能。

3 結(jié)論

(1)甲基萘作為二硫化鎢的分散修飾劑不僅起到分散穩(wěn)定的作用，而且還能一定程度上提升抗磨減摩性能。

(2)在探究結(jié)構(gòu)對(duì)納米二硫化鎢抗磨減摩性能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，90 nm二硫化鎢在低濃度下潤(rùn)滑效果優(yōu)于100 nm二硫化鎢，而在高濃度下則100 nm二硫化鎢更優(yōu)。層狀二硫化鎢抗磨減摩性能要優(yōu)于片狀二硫化鎢。

(3)結(jié)構(gòu)對(duì)納米二硫化鎢抗磨減摩性能的影響主要是通過影響納米二硫化鎢在油品中的分散度來實(shí)現(xiàn)的。解決好納米二硫化鎢在油品中的分散問題將是納米二硫化鎢發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。