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纳米润滑添加剂的研究现状及发展趋势 摘要：回顾了纳米材料作为润滑添加剂的研究状况比较了不同纳米材料添加剂对摩擦学性能的影响综述了纳米材料的抗磨减摩机理。介绍当今国外此领域的研究现状,指出结构型纳米材料是在本领域的研究新热点展望了纳米润滑油添加剂的发展前景,并指出了需要进一步深入研究的有关问题。 关键词：纳米材料；摩擦学性能；润滑添加剂 1　纳米材料的结构与特性 同宏观上三维方向都具备足够大尺寸的常规材料相比,纳米材料是一种低维材料,即在一维、二维甚至三维方向上尺寸为纳米级(0.1～100nm)。纳米材料按空间维数分为以下四种:(1)零维的原子簇和原子簇的集合,即纳米粒子;(2)一维的多层薄膜,即纳米膜;(3)二维的超细颗粒覆盖膜(4)三维的纳米块体材料。由于纳米材料的表面原子数与总原子数之比随材料尺寸的急剧变小而急剧增大,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同,表面原子周围缺少相邻原子,因而具有许多悬空键,具备不饱和性质,表面积、表面能和表面结合能都迅速增大,产生了所谓的“表面效应”。当纳米材料尺寸同传导电子的直布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,材料的磁性、内压、光吸收、热阻等性质比起普通体相材料都发生了很大变化,这称为纳米材料的“体积效应”。随着纳米材料的尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级变为分立能级的现象称为“量子尺寸效应”。纳米材料上述独特的结构特性导致纳米材料产生了诸如高扩散性、易烧结性、熔点降低、硬度增大、催化反应活性增大等一系列特性,使得它在精细陶瓷、催化剂、电子元件、磁光元件等方面得到广泛应用。 2　纳米材料润滑作用机理 纳米粒子作为润滑材料有明显的作用，但其作用机理还没有真正研究清楚，目前对其作用机理有多种推测。一种理论认为，纳米粒子尺寸较小，近似球型，在摩擦副间可以像鹅卵石一样自由滚动，类似微轴承作用，减少了摩擦阻力，降低了摩擦系数，减少了磨损，这种“滚珠轴承”的摩擦原理目前还缺乏进一步的实验支持。另外一种理论是薄膜理论，认为在摩擦过程中纳米粒子在摩擦副上形成 一层纳米薄膜，纳米薄膜的功能不同于一般的薄膜，它的韧性、抗弯强度均大大优于一般薄。这层膜减小了摩擦，提高了承载能力从而减轻了磨损。另外，“第三体”抗磨机理认为，纳米粒子添加剂对摩擦副凹凸表面的填充作用以及表面的摩擦化学反应形成了稳定的“第三体”，具备优越的抗磨效果。有些研究者认为,纳米微粒添加剂的作用机理不同于传统添加剂,与其本身所具有的纳米效应有关.在摩擦过程中,因摩擦表面局部温度高,纳米微粒尤其像N2TiO2这类微粒极有可能处于溶化、半溶化或烧结状态,从而形成一层纳米膜.纳米膜不同于一般的薄膜,它的韧性、抗弯强度均大大优于一般薄膜.另外,纳米微粒具有极高的扩散力和自扩散能力(比体相材料高十几个数量级),容易在金属表面形成具有极佳抗磨性能的渗透层或扩散层,表现出“原位摩擦化学原理”.这种机理认为,纳米添加剂的润滑作用不再取决于添加剂中的元素是否对基体是化学活性的,而很大程度上取决于它们是否与基体组分形成扩散层或渗透层和固溶体.上述分析阐明，纳米添加剂(尤其在高负荷条件下)的润滑作用不再取决于添加剂中的元素是否对基体是化学活性的，而很大程度上决定于它们是否与基体组分能形成扩散层或渗透层和固溶体，这可解决在添加剂设计上长期依赖S、P、Cl等活性元素的状况，为解决S、P、C带来的环境问题展示了美好的应用前景。 3　纳米润滑材料摩擦学性能研究进展 3.1　无机单质纳米粉体的摩擦学性能 T.H isakado、徐华欣、张志梅等将10～50nm铜粉、镍粉和铋粉添加到石蜡基油中进行抗磨减摩性能试验,发现石蜡中加入纳米铜粉或镍粉后,在同等条件下其摩擦系数至少可降低18%;磨痕宽度至少可降低35%,某些情况下甚至可降低50%.这说明纳米金属粉具有显著改善润滑油抗磨减摩性能的效果.H.Gleiter等用爆炸法合成的纯度为95%纳米金刚石作润滑油添加剂,摩擦学实验表明,纳米金刚石在摩擦副之间起“微轴承”作用,对表面有抛光作用和强化作用,使其具有优异的抗磨减摩性能和抗极压性能. 3.2　纳米无机盐的摩擦学性能 J.X.Dong和Z.S.H u二人对纳米硼酸锌、硼酸钛、硼酸镁、硼酸钙等纳米硼酸盐作抗磨减摩添加剂进行了一系列研究,发现纳米硼酸盐,尤其是碱土金属硼酸盐具有极佳的摩擦学性能,纳米硼酸镁、硼酸钛,尤其是硼酸钙具有很好的应用前景.其抗磨减摩的机理是:硼酸盐在摩擦副上发生摩擦化学反应,生成了如B2O3,FeB及Fe2B等具有抗磨减摩性能的物质.同时发现,当纳米粒子质量分数超过1.7%时,PB会随着纳米粒子加入量的增加而逐渐下降.后来的研究发现,以胶体形式分散在基础油中的传统碱性提供者,在剪切力作用下,纳米尺寸胶核聚集并吸咐在摩擦副表面后,形成一层