納米潤(rùn)滑油添加劑潤(rùn)滑機(jī)制的研究進(jìn)展

孫雙秋 ， 孫圣迪 ， 張延波 ， 王瑞鑫 ， 楊曉怡 ， 陳志峰

（1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省中小型非標(biāo)裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺(tái) 054000；3.河北省閥門(mén)智能裝備工程研究中心，河北 邢臺(tái) 054000；4.河北中煤四處礦山工程有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

軸承是機(jī)械設(shè)備中一種重要的零部件，被廣泛應(yīng)用于航空、礦山、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的設(shè)備中。軸承的潤(rùn)滑可以減少軸承內(nèi)部摩擦以及磨損，延長(zhǎng)其使用壽命，同時(shí)排除摩擦熱，防止軸承過(guò)熱。目前，軸承的潤(rùn)滑方法分為脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑。

隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，納米顆粒作為一種環(huán)保型材料，具有體積小、比面積大等特點(diǎn)，在摩擦潤(rùn)滑方面有很好的應(yīng)用前景。試驗(yàn)研究表明，在軸承副的潤(rùn)滑油中添加SiO2納米顆?？梢杂行У匮娱L(zhǎng)滾動(dòng)軸承的使用壽命[1]；將納米顆粒均勻分散添加到潤(rùn)滑油中，可以更有效地提高潤(rùn)滑性能，起到抗磨減摩的效果[2]；零維到三維的納米顆粒均具有良好的抗磨減摩性能[3]；化學(xué)合成的納米顆粒相比機(jī)械球磨顆粒具有更好的抗磨減摩效果[4]。但由于摩擦過(guò)程比較復(fù)雜，針對(duì)納米顆粒作為添加劑的抗磨減摩機(jī)制尚不明確。目前，對(duì)納米顆粒摩擦學(xué)性能的研究表明，其主要有填充作用、成膜特性、滾珠效應(yīng)以及拋光作用四種潤(rùn)滑機(jī)制。但是，由于宏觀試驗(yàn)無(wú)法完整地觀察到摩擦的整個(gè)過(guò)程，導(dǎo)致現(xiàn)有的納米顆粒潤(rùn)滑機(jī)制多數(shù)處于猜想階段。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以輔助試驗(yàn)研究，驗(yàn)證納米顆粒在摩擦過(guò)程中的潤(rùn)滑機(jī)制。目前針對(duì)納米顆粒摩擦潤(rùn)滑機(jī)制研究的仿真方法主要有分子動(dòng)力學(xué)法和有限元分析法。分子動(dòng)力學(xué)法主要研究單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)，可以探究現(xiàn)象的本質(zhì)以及各個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，尤其可以對(duì)理論分析以及試驗(yàn)觀察中難以理解的現(xiàn)象作出解釋[5]。有限元分析法主要是建立在接觸力學(xué)和彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)之上的一種計(jì)算方法。

1 填充作用

現(xiàn)有的研究表明，納米顆粒作為添加劑在摩擦過(guò)程中會(huì)起到填充作用，提高潤(rùn)滑油的抗磨減摩性能，主要表現(xiàn)為顆粒沉積到帶有粗糙度的摩擦表面，對(duì)表面凹坑和磨痕起到修復(fù)作用。

馬劍奇等[6]采用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了油溶性Cu 納米粒子作為CD15W/40 柴油機(jī)油添加劑的摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)研究表明，在最佳納米Cu 微粒含量條件下，Cu 納米微粒作為添加劑明顯改善了潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)通過(guò)采用SEM、EDS和XPS分析得出，摩擦過(guò)程中形成的磨斑表面存在Cu元素，并且和基礎(chǔ)潤(rùn)滑油相比，添加納米Cu 微粒的摩擦表面磨斑尺寸顯著減小。由此可以得出，納米顆粒的潤(rùn)滑機(jī)制是納米Cu添加劑在摩擦過(guò)程中沉積到了磨損表面，改善了摩擦表面的表面質(zhì)量，起到了填充作用。李寶良等[7]采用MRH-3 高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了Cu、Al、Al2O3以及MgO 納米微粒的摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)研究表明，在壓力作用下直徑比較小的納米顆粒會(huì)進(jìn)入到粗糙摩擦表面的犁溝內(nèi)起到填充作用。

宏觀的試驗(yàn)研究?jī)H僅是通過(guò)試驗(yàn)儀器對(duì)摩擦表面形成的磨斑的表面元素種類(lèi)進(jìn)行了分析，初步判定了納米顆粒的潤(rùn)滑機(jī)制是填充作用。計(jì)算機(jī)仿真分析可以更有效地驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)論。胡成志[8]采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了納米顆粒作為流體添加劑在非平面下的滑動(dòng)摩擦過(guò)程。試驗(yàn)研究表明，非平表面的納米流體的剪切應(yīng)力低于基礎(chǔ)流體，表現(xiàn)出了減摩的效果，這主要是由于納米顆粒起到了填充的作用，修復(fù)了摩擦表面，從而降低了摩擦阻力。Ji 等[9]同樣采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)納米顆粒的作用機(jī)理進(jìn)行了研究。研究表明，納米顆粒作為添加劑在摩擦過(guò)程中會(huì)發(fā)生吸附、團(tuán)聚和填充作用，如圖1 所示。通過(guò)在摩擦表面構(gòu)建三個(gè)型腔來(lái)表征表面的粗糙度，納米顆粒在摩擦過(guò)程中會(huì)填充到凹坑中，起到填充作用。

圖1 納米顆粒吸附、團(tuán)聚和填充過(guò)程

李云凱等[10]采用有限元分析法對(duì)水潤(rùn)滑軸承摩擦學(xué)性能進(jìn)行了分析，探究了水膜承載能力和減摩性能的優(yōu)化情況，并進(jìn)行了機(jī)理分析。研究表明，流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)的形成，使得水膜具有更優(yōu)的承載能力和減摩性能。有限元分析僅適用于宏觀接觸力學(xué)和彈塑性力學(xué)方面的研究，無(wú)法深入到納米層級(jí)對(duì)單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作出解釋。

2 成膜特性

納米顆粒作為添加劑在摩擦過(guò)程中會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)變化，主要表現(xiàn)為軟質(zhì)納米顆粒在重載情況下發(fā)生變形以及低熔點(diǎn)納米顆粒在高溫情況下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。研究表明，納米顆粒在摩擦過(guò)程中會(huì)在摩擦表面形成一種保護(hù)膜，起到提高潤(rùn)滑油抗磨減摩性能的作用。徐建林等[11]采用CFT-1 型材料性能測(cè)試儀對(duì)納米銻顆粒進(jìn)行了潤(rùn)滑摩擦學(xué)性能的研究。研究表明，納米銻在磨痕表面形成了表面膜，保護(hù)了摩擦表面，展現(xiàn)出良好的抗磨減摩效果。通過(guò)磨斑表面的SEM 照片可以觀察到摩擦表面上有一層不連續(xù)的潤(rùn)滑膜，這主要是由于納米粒子在高溫接觸區(qū)很容易和摩擦表面發(fā)生作用，從而形成潤(rùn)滑膜保護(hù)層。

徐楠等[12]采用UMT-2 摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)納米碳酸鈣作為潤(rùn)滑脂添加劑的摩擦學(xué)性能及流變行為進(jìn)行了研究。研究表明，碳酸鈣納米粒子在摩擦過(guò)程中受到摩擦副的擠壓，發(fā)生了物理變形，并在接觸區(qū)形成了潤(rùn)滑膜。通過(guò)XPS 圖譜可知，磨斑表面的潤(rùn)滑膜成分仍為碳酸鈣。由此可知，納米顆粒僅通過(guò)物理變形也會(huì)在摩擦區(qū)域形成潤(rùn)滑膜，起到抗磨減摩的效果。Peng 等[13]對(duì)SiO2納米顆粒作為液體石蠟添加劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究。AFM 顯示了嵌入摩擦表面而沉積的SiO2納米顆粒，這些鑲嵌的納米顆粒在摩擦表面形成邊界潤(rùn)滑膜，阻止了兩個(gè)摩擦表面的直接接觸，如圖2 所示。

圖2 鋼球磨損表面的AFM顯微照片

彭潤(rùn)玲等[14]通過(guò)仿真分析觀察到在重載情況下，Cu 納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚，并且吸附到摩擦表面，形成了保護(hù)膜。Hu 等[15]在邊界潤(rùn)滑條件下研究了納米Cu 顆粒的潤(rùn)滑機(jī)理。研究表明，在一定載荷下，Cu納米顆粒在摩擦過(guò)程中會(huì)發(fā)生變形，如圖3 所示。Cu納米顆粒在剪切力的作用下鋪展在摩擦表面，從而形成了一層固體的潤(rùn)滑膜。由于分子動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算量有限，分子間的相互作用力比較復(fù)雜，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法研究納米顆粒和摩擦表面化學(xué)潤(rùn)滑膜的形成比較困難。

圖3 不同時(shí)刻摩擦狀態(tài)及Cu 納米顆粒的變形過(guò)程

3 滾珠效應(yīng)

硬質(zhì)納米顆粒作為潤(rùn)滑油添加劑在重載摩擦環(huán)境下不會(huì)發(fā)生變形，但同樣可以起到抗磨減摩的效果。因此，不少學(xué)者推測(cè)納米顆粒在摩擦過(guò)程中起到了滾珠效應(yīng)，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦。李寶良等[7]在研究幾種納米顆粒作為添加劑時(shí)的摩擦特性時(shí)指出，Al2O3納米顆粒由于其硬度較大，在添加潤(rùn)滑脂后，摩擦因數(shù)和摩擦力均減小。由此推斷出，Al2O3納米顆粒起到了滾珠軸承的作用，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，起到了抗磨減摩的效果。但是試驗(yàn)研究中，并未觀察到納米顆粒的滾動(dòng)現(xiàn)象。

分子動(dòng)力學(xué)仿真分析可以很好地驗(yàn)證試驗(yàn)研究。He 等[16]通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)的方法研究分析了納米顆粒在摩擦表面間的運(yùn)動(dòng)情況，研究表明納米顆粒在摩擦過(guò)程中存在滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。Ji 等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)，SiO2納米顆粒在摩擦過(guò)程中存在滾動(dòng)摩擦，但是在整個(gè)的摩擦過(guò)程中納米顆粒也伴隨著滑動(dòng)摩擦，如圖4 所示。因此可以得出，納米顆粒作為添加劑在摩擦過(guò)程中存在滾珠效應(yīng)，同時(shí)滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦在整個(gè)摩擦過(guò)程中均存在，但是對(duì)于滾珠效應(yīng)出現(xiàn)的條件還不是很清楚。

圖4 滑動(dòng)摩擦過(guò)程中納米顆粒的滾動(dòng)過(guò)程

4 拋光作用

在摩擦過(guò)程中，硬質(zhì)納米顆粒會(huì)對(duì)非平面的摩擦表面進(jìn)行微處理，使得摩擦表面的粗糙度降低，從而達(dá)到提高抗磨減摩效果的目的。Sia 等[17]通過(guò)磨斑的SEM 圖像觀察到SiO2納米顆粒拋光的摩擦表面。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，由于納米顆粒的拋光作用導(dǎo)致摩擦過(guò)程中的摩擦溫度降低，由此也可以說(shuō)明摩擦表面的粗糙度降低，摩擦表面變得平整。

Zhao 等[18]采用分子動(dòng)力學(xué)方法證實(shí)了納米粒子在摩擦過(guò)程中的拋光作用。Hu 等[19]研究了硬質(zhì)納米顆粒對(duì)摩擦表面形貌的影響。研究表明，納米金剛石和SiO2納米顆粒在摩擦過(guò)程中會(huì)改變摩擦表面的表面形貌，對(duì)摩擦表面起到拋光作用，如圖5 所示。但是納米顆粒會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚后的納米顆粒會(huì)對(duì)摩擦副起到支撐作用，同時(shí)粒徑也會(huì)增大[14]。大粒徑的納米顆粒會(huì)改變摩擦表面的表面形貌，在摩擦表面形成犁溝，從而增大摩擦表面的粗糙度[20]，如圖6所示。因此，保證納米顆粒在潤(rùn)滑介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性顯得尤為重要。

圖5 納米金剛石和SiO2納米顆粒對(duì)Fe塊表面著色的形貌變化

圖6 大粒徑納米顆粒對(duì)摩擦表面的影響

5 結(jié)論與建議

目前的研究結(jié)果表明，納米粒子作為潤(rùn)滑油添加劑在摩擦過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的抗磨減摩性能。通過(guò)試驗(yàn)研究和仿真分析，明確了納米顆粒在摩擦過(guò)程中的填充作用、成膜特性、滾珠效應(yīng)和拋光作用四種潤(rùn)滑機(jī)制。分子動(dòng)力學(xué)仿真可以研究單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)、探究現(xiàn)象的本質(zhì)，有助于對(duì)納米顆粒添加劑作用機(jī)理的更深度研究。

但是目前的研究工作僅僅是一個(gè)開(kāi)端，還有許多問(wèn)題需要研究解決。首先，分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法的計(jì)算量有限，需要不斷優(yōu)化新的算法。其次，試驗(yàn)研究和納米層級(jí)仿真在關(guān)聯(lián)性方面有待提高，有限元分析法和分子動(dòng)力學(xué)法耦合計(jì)算的研究是一個(gè)重要方向。再次，納米顆粒在摩擦過(guò)程中存在滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦，目前對(duì)滾動(dòng)摩擦出現(xiàn)的條件還不清楚。最后，納米顆粒在潤(rùn)滑油中會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，不利于提高抗磨減摩性能，保證納米顆粒在潤(rùn)滑油中的分散穩(wěn)定性是當(dāng)務(wù)之急。