淺談金屬材料納米化表面的摩擦學(xué)行為

黃凱

（池州學(xué)院，安徽 池州 247000）

眾所周知，只要物體之間存在接觸并產(chǎn)生相對位移，則必將產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象。摩擦行為是不可避免的，摩擦過程會(huì)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能損失，因此，全球生產(chǎn)過程中由于摩擦損失導(dǎo)致數(shù)千億美元的資源浪費(fèi)，這是非常巨大的消耗。因此，盡可能地在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中減少摩擦，是目前節(jié)約資源的有效方式，現(xiàn)階段納米金屬材料也廣泛地應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備中，非常有必要對納米材料的摩擦過程進(jìn)行探究，以便有針對性地對降低摩擦進(jìn)行改進(jìn)。

一、納米材料摩擦行為研究

根據(jù)現(xiàn)有的研究報(bào)告可知，每年由于摩擦損失的能源相當(dāng)巨大，有時(shí)甚至高達(dá)總能源消耗的一半，對于那些老化的設(shè)備或者早已被社會(huì)發(fā)展所淘汰卻依舊使用機(jī)械設(shè)備，其摩擦損失可能達(dá)到總功率的80%，不僅僅包括摩擦生產(chǎn)的能量損失，還包含了為抵抗摩擦阻力而消耗的能量，此外，由于工作過程中還會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損，也將導(dǎo)致摩擦損失的不同。當(dāng)機(jī)器磨損之后，各設(shè)備連接處的空隙也將增大，設(shè)備之間沒有緊密結(jié)合很容易降低生產(chǎn)效率，間接地提高了生產(chǎn)成本，場次以往，機(jī)器由于老化等原因已不具備高效的工作能力，如果通過更換設(shè)備零件，又勢必會(huì)增加一定的零件采購成本，同時(shí)，這些零件材料有需要經(jīng)過運(yùn)輸、存儲(chǔ)及維護(hù)，需要消耗大量的資金，這些都需要算入機(jī)械的運(yùn)營成本之中，而且該成本消耗勢必不小。早先通常使用添加潤滑劑的方法來降低設(shè)備的摩擦損失，其機(jī)理主要是借助潤滑劑來降低設(shè)備之間的摩擦系數(shù)，從而減小了摩擦損失，不同品種的潤滑劑減小摩擦系數(shù)的程度也不同，在相當(dāng)長的一段時(shí)間里，潤滑劑都能起到良好的效果。但是，隨著機(jī)械設(shè)備更加精密化和大型化，潤滑劑已不再滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，設(shè)備使用時(shí)間長依然會(huì)導(dǎo)致設(shè)備表面的磨損。這就需要通過對材料本身進(jìn)行改進(jìn)，于是，納米材料孕育而生，并且在配合使用潤滑劑之后，機(jī)器運(yùn)行過程中摩擦行為明顯得到了改善。而對于納米材料如何改善摩擦行為的機(jī)理目前還未有統(tǒng)一的定論，有學(xué)者認(rèn)為，納米材料在摩擦過程中，由于納米顆粒之間形成一個(gè)緩沖的機(jī)制，類似于宏觀的墊片的功能；也有人認(rèn)為，納米顆粒將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榱祟w粒間的滾動(dòng)摩擦，從而進(jìn)一步地降低了摩擦系數(shù)。隨著對納米材料是深入研究，有學(xué)者提出可納米材料有可能發(fā)生沉降作用并填補(bǔ)到因摩擦出現(xiàn)的磨損區(qū)域的觀點(diǎn)，由于能夠自動(dòng)修復(fù)設(shè)備的磨損表面，以至于大大提升了納米材料的摩擦行為。但具體是哪種機(jī)理，還需要通過進(jìn)步的實(shí)驗(yàn)研究，深入理解摩擦過程的原理。

二、納米金屬材料表面摩擦機(jī)理的研究

（一）納米材料的摩擦性能

目前，潤滑劑的中類有很多種，而對于固體潤滑劑，主要有石墨和硫化鉬等，這類潤滑就通常具備層狀結(jié)構(gòu)，而且其微觀結(jié)構(gòu)成各向異性，導(dǎo)致其具備潤滑性能。鉬是一種屬于過渡金屬，形成的硫化鉬也具有相應(yīng)的片狀結(jié)構(gòu)，很多情況下以添加劑的功能被加入潤滑油中。為了研究MoSe2的潤滑性能時(shí)，將其加入值基礎(chǔ)油中進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)，研究結(jié)果顯示，在低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，添加納米級的MoSe2作為潤滑劑添加劑，其潤滑效果與微米級MoSe2的潤滑效果沒有明顯差異，而在逐漸增大負(fù)載的過程中，MoSe2的摩擦性則慢慢體現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。隨著進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所加入的納米級MoSe2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到潤滑劑的5%時(shí)具有最佳的潤滑效果；而當(dāng)負(fù)載值增加值50N之后，繼續(xù)增加負(fù)載，其摩擦系數(shù)將逐漸減小，最后再一個(gè)平穩(wěn)臨界值。隨后，使用納米材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米材料的表面摩擦痕跡達(dá)到了很大程度的改善。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)過程，可以知道，使用納米材料能夠有效地改善潤滑油的潤滑效果，并且MoSe2也在一定程度上具有減小摩擦的功能。

此外，還有一種性能更好的潤滑劑，就是WSe2，它的運(yùn)用沒有使用MoSe2作為添加劑那么多要求的約束，而且其添加的含量差不多是總潤滑劑的7%，在測量過程中也簡單方便，并且通過對設(shè)備的電阻測定可以準(zhǔn)確地判斷識別之間的潔純情況。還有一種主要成分為NbSe2做成的納米材料，這種材料對環(huán)境要求的依賴性較低，雖然有一定的潤滑效果，但相比于上述兩種潤滑劑來說，其潤滑效果相對較差，但這種材料的優(yōu)勢是具有良好的導(dǎo)電性能。

（二）納米潤滑油添加劑

目前使用的很多總潤滑劑都會(huì)在不影響質(zhì)量要求的前提下加入一些添加劑。通常添加劑的含量很低，但卻具有非常重要的作用，甚至重要性要高于潤滑基礎(chǔ)油?？梢哉f，在基礎(chǔ)油中加入添加劑無異于井上添花，添加劑的含量對潤滑油的潤滑效果起到至關(guān)重要的作用。它不僅能夠提高機(jī)器的抗摩擦性，而且承受的負(fù)載也隨之增大，還在一定程度上能夠起到修復(fù)表面磨損的效果。通過研究發(fā)現(xiàn)，添加劑能夠大大摩降低擦性能，從而使機(jī)器運(yùn)行的速度增大，可以降低機(jī)器表面的粗糙度，并且還可以改善納米材料的形貌結(jié)構(gòu)。所以說，選用好的納米材料添加劑，在添加劑的片狀結(jié)構(gòu)的作用下，容易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，從而在一定程度下降低了摩擦系數(shù)，從而降低摩擦能力損失。

三、總結(jié)

本文主要通過分析了摩擦導(dǎo)致了能源損失，并分別分析了潤滑劑和納米材料對降低摩擦行為的原理，也對納米材料的研究有了更深一步的理解，而且在今后的研究過程中夠，還有必要持續(xù)改進(jìn)納米材料的潤滑性能，這將對促進(jìn)我國的工業(yè)發(fā)展具有巨大的作用。