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1、纳米颗粒添加剂在润滑油中的应用2012年第6期液压与气动纳米颗粒添加剂在润滑油中的应用王晴,刘同冈,吴健TheApplicationofNanoParticleAdditivesinLubricatingOilWANGQing,LIUTonggang,WUJian(中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221008)摘要:纳米材料科学的发展推动了纳米润滑技术的发展,纳米级材料作为润滑油添加剂的研究已受到广泛关注.已经发现的纳米金属,纳米氧化物,纳米硫化物,碳纳米管,富勒烯,金刚石以及纳米磁性颗粒等都能使润滑油的润滑性能大幅提高.该文综述了各种纳米颗粒润滑油添加剂的摩擦学性能,探究了它们的润滑机理.
2、基于大量的实验研究结果比较了他们性能的优劣,提出纳米磁性颗粒作润滑油添加剂有其它材料不可比拟的优势,指出如何提高添加剂的分散稳定性是提高润滑油润滑性能的关键问题.关键词:纳米颗粒;添加剂;润滑油中图分类号:TE666;TG356.16;THll7.2文献标志码:B文章编号:1000-4858(2012)06-0001-051概述表面磨损是机械零件失效的主要形式,因此摩擦磨损和润滑理论是机械学的重要课题.随着工业技术的发展设备不断向高速,重载,集成化,高精度方向发展,由于机械运行条件的苛刻及内部温度过高导致的摩擦磨损已成为提高机械寿命的最大制约因素,实践的需求推动了润滑伦理研究的发展.一种广泛接
3、受的观点认为没有润滑的情况下摩擦力的来源分为两个方面:一是滑动时接触点粘着点被剪断;二是硬金属表面的微凸体嵌入软金属表面,运动过程中产生推碾和犁沟效应.传统的润滑主要基于两个原理:利用流体压力分隔表面,避免接触;以牺牲性的表面化学膜保护表面,避免粘着和磨粒磨损的损伤.因此润滑油在改善机构润滑状态中起着关键的作用.为了改良润滑油的技术指标,以取得更好的润滑效果,纳米颗粒作为添加剂在润滑中得到了广泛的应用.纳米颗粒添加剂能显着改善润滑J,一方面纳米微粒加入润滑油中能改善润滑油的物理性能,如降低润滑剂的凝点,消除泡沫提高粘度,改善粘温特性等,从而提高零件的减膜和抗磨性;另一方面纳米微粒由于尺寸极小且
4、形状类似圆形,可在零件相对运动是产生微轴承效应,变滑动摩擦为滑动和滚动复合摩擦,起到减小摩擦的作用;最主要的是纳米微粒能对受损零件表面进行自修复.纳米微粒具有很高的表面能能吸附在金属表面,形成吸附膜,随着运动的进行温度的升高纳米微粒渗透到材料表面在表面使材料的硬度大幅提高,抗磨能力大大加强.同时由于颗粒尺寸很小远远小于摩擦副表面磨损产生的磨痕,因此可以填补金属表面磨痕,从而达到修复损伤的功能,这就是所谓的自修复功能.本文对纳米颗粒添加剂在润滑油中的应用进行综述,介绍了常用的几类纳米润滑添加剂和他们的摩擦学性能,对他们的润滑机理进行了探讨,比较了它们的性能优劣.2金属单质纳米颗粒:铜,锡等作为润
5、滑油添加剂的性能用于润滑添加剂的金属粒子有质地较软金属和硬金属两类.软金属主要是金,银,铅,锌,锡,铟等,硬金属主要是铜,锡,铋和镍等.硬金属中铜是比较有代表性的金属颗粒,研究也较多,研究表明,加入硬金属纳米粒子能显着改善系统的润滑性能,但纳米粒子的浓度却有限制,这主要是因为其在润滑油中的分散稳定性不佳引起的.提高纳米金属粒子分散稳定性的问题被提上日程.周静芳等发现用有机化合物如油酸等对铜颗粒进行表面修饰能使其在液体石蜡中具有良好的稳定性和分散性.表面修饰铜颗粒能显着提高润滑油的摩擦性能.马剑奇等对表面修饰铜颗粒作用收稿日期:201112-26作者简介:王晴(1990一),女,山东菏泽人,在读
6、硕士生,主要从事磁性液体润滑技术研究.2液压与气动2012年第6期15W/40柴油机油添加剂的摩擦学性能做了研究,结果显示在196N载荷60min摩擦时间下,含0.25%添加剂的油样抗磨性能最佳,钢球磨斑直径与基础油相比减小r24%.在392N载荷,30min摩擦时间条件下含0.5%添加剂的油样抗磨性能最好,钢球磨斑直径同没添加时相比减小了42%.纳米金属颗粒作为添加剂能有效改善润滑状态,其机理可概括为以下几方面一是金属颗粒在材料表面沉浸,吸附于摩擦副表面形成润滑膜,同时由于纳米金属颗粒表面活性高在摩擦过程中与摩擦副表面发生化学反应形成化学反应膜.这种表面物理化学复合膜能防止两摩擦副表面接触,
7、有效减小摩擦.另一方面纳米添加剂能对磨损表面进行自修复,对磨斑表面进行SEM和XPS分析可以发现磨损表面划痕处沉积了大量的金属添加剂,这些金属颗粒修补了磨损表面使材料表面粗糙度降低.纳米金属添加剂由于尺寸很小还可以渗透到摩擦副材料表面增加材料硬度提高抗磨性.郭志光等对添加纳米铜颗粒的润滑剂在不同载荷下的应用效果作了对比研究,发现载荷在490N时润滑剂的抗磨作用明显优于392N时.这可能是由于载荷越大越有利于摩擦副表面发生化学反应生成化学反应膜.王晓丽等对高速高温工况下得纳米铜润滑材料的摩擦学干亍为进行丫研究,结果表明纳米铜润滑材料非常适用于高温高速工况,在这种工况下具有良好的抗磨减磨性能.这可
8、能是因为高温条件有利于纳米金属材料在摩擦副表面聚集,修复磨损表面.对于不同类金属摩擦副,添加纳米铜的润滑剂表现出了更优异的抗磨和修复性能.例如钢铝摩擦副,普通润滑油润滑时由于不同金属表面硬度不同,在软金属表面会形成严重的犁沟磨损,又由于钢铝之间存在较大的固溶度,致使铝块中的铝元素向钢表面迁移,这有加剧了铝的磨损.纳米铜润滑剂能有效改善这种情况,这是由于纳米铜在磨损表面形成的保护膜能防止微凸体直接接触,同时阻止铝元素向钢表面迁移.软金属的摩擦机理与硬金属有很大的不同,比如很具代表性的锡.锡纳米颗粒作为润滑油添加剂的应用也是近来研究的热点,但是未经表面处理的纯软金属纳米颗粒润滑油的润滑效果并不理想
9、,这主要是因为软金属纳米颗粒在润滑油中的稳定分散能力差易沉淀.对软金属纳米颗粒进行表面修饰能显着提高其分散性能,从而使润滑性能也得到提高,经过表面修饰的软金属颗粒在高载荷工况下表现出非常优异的摩擦学性能.赵彦保对锡纳米颗粒作为润滑油添加剂的摩擦学性能进行了实验研究.他将不同载荷下基础油和添加纳米锡颗粒1.00%的润滑油润滑高摩擦副的性能作了对比.在300N时基础油润滑钢球磨斑直径为0.72mm,在392N是系统发生卡咬.而含纳米锡的润滑油在300N载荷下磨斑直径仅为0.47mm,并且在600N载荷下依然可以实现有效润滑,磨斑直径仅为0.64mm.这表面锡纳米润滑油的润滑效果明显优于基础油,并且
10、在高负荷工况下其润滑效果比纳米铜颗粒润滑油的润滑效果还要好.锡纳米颗粒润滑油在500N时的磨斑直径比400N时的磨斑直径还要小,对磨斑表面进行分析时没有发现锡元素.这诸多现象说明锡纳米颗粒在高载荷时的润滑机理不同于硬金属颗粒,其机理可能是锡在高载荷时发生熔化形成“液滴”,”液滴”的弹性好,它在摩擦副表面滚动时对摩擦副表面造成的磨损远远小于固体颗粒.而之所以在载荷400N时的润滑效果不如500N时好可能是因为400N载荷是锡还没有发生熔化.3氧化物纳米颗粒作为润滑油添加剂的性能氧化物颗粒应用用于润滑油添加剂也是一个重要的研究方向,这些氧化物主要是氧化锌,三氧化二铝,氧化铅,氧化锆,氧化硅和一些氧
11、化物复合纳米添加剂.添加氧化锌纳米颗粒的润滑剂能显着提高基础油的抗磨能力,但减摩效果不明显.张蕾蕾等对油溶性氧化锌纳米颗粒的摩擦学性能进行了研究.他们采用自制的粒径在l215nm的氧化锌纳米颗粒添加于基础油,作了含不同浓度添加剂的润滑油的润滑效果对比试验,指出纳米锌的最佳添加量为0.5%.氧化锌纳米颗粒在摩擦过程中以沉积膜的形式吸附在摩擦副表面,起到抗磨作用,有研究表面氧化锌在摩擦工程中并没有发生化学反应,只是物理沉积.三氧化二铝是一种优良的耐高温固体润滑剂,它的结构为密排六方晶格,硬度高,耐高温,耐磨性好.作为润滑油添加剂三氧化二铝也表现出了优异的性能.周立涛等三氧化二铝的摩擦学性能作了研究
12、.选用软一硬,硬一硬及多种异类金属配合摩擦副进行对比实验,指出三氧化二铝润滑油对硬一软金属配合的摩擦副的作用效果比硬一硬金属配合的效果更好,并且与添加量有关.油酸修饰氧化铅纳米颗粒添加可明显提高基础油的抗磨,减磨和承载能力J,其机理是氧化铅纳米颗2012年第6期液压与气动3粒在摩擦副表面形成了边界润滑膜.这是一层物理吸附膜,氧化铅没有发生化学反应.研究表明油酸修饰氧化铅纳米颗粒最佳添加量为0.3%.氧化锆是高温耐磨陶瓷的重要组成部分,但目前对其作为润滑油添加剂的研究还不是很多.黄伟九等自制了粒度在2O50nm的氧化锆并对其摩擦学性能作了研究,实验表面氧化锆的加入能有效改善润滑油的抗磨性能,而且
13、能减小润滑油的摩擦系数,有效减小摩擦.河南大学曹智等对表面修饰二氧化硅纳米颗粒对锂基脂抗磨性能的影响作了研究.自制了粒径约为20nm的二氧化硅颗粒.加入二氧化硅纳米颗粒后的锂基脂性能明显改善,可承受的最高载荷由500N增至700N,磨斑直径也有减小,变现出较好的抗磨性.二氧化硅纳米颗粒还能在压应力的作用下填充磨损表面的微缺陷,起到修复作用.4硫化物纳米颗粒作为润滑油添加剂的性能作为润滑添加剂使用的二硫化钼是一种层状结构的晶体,层内的原子通过化学键结合,作用力强,层与层之间则通过很弱的范德华力结合,容易滑离,摩擦系数低.二硫化钼作为润滑油添加剂能显着提高润滑油的极压性和减摩抗磨性能.采用不同方法
14、制备的二硫化钼颗粒的形貌差别很大,摩擦学性能差别也很大.于光旭引对不同形状二硫化钼纳米颗粒作为润滑油添加剂的性能作了对比研究,发现球状纳米颗粒的摩擦学性能最优.球状二硫化钼纳米颗粒能显着提高润滑油的极压性,在添加量为1.5%是效果最好,最大无卡咬载荷达到932N.二硫化钼还能起到明显的减摩作用,当加入的质量分数为0.1%时,磨斑直径下降达50%.二硫化钼的抗磨减摩性能主要归功于它的小尺寸效应和层状结构,其润滑机理可总结为三点.一是由于其颗粒粒径小,在摩擦过程中嵌入摩擦副表面的凹谷中将其填平,起到自修复作用;二是二硫化钼吸附在摩擦副表面形成润滑膜,由于其为层状结构曾经摩擦力小,所以不仅隔了了摩擦
15、副问的接触,还大大减小了摩擦系数.由于二硫化钼表面能高易吸附,能及时补充因磨损而脱落的吸附膜,使这层吸附膜处于动态平衡中;三是二硫化钼为类似球状的颗粒,当摩擦副产生相对滑动是,球状颗粒起到微轴承作用,变滑动摩擦为滚动摩擦.硫化铅纳米颗粒也可以作为润滑油添加剂,陈文君合成了油酸修饰纳米硫化铅颗粒并对其摩擦学性能进行了研究,硫化铅的最佳添加量为0.3%,添加后磨斑直径降低了26%.硫化铅在润滑油中的分散稳定性对其性能的影响很大,研究表明硫化铅颗粒的粒径大小是影响其分散稳定性的重要因素之一,粒径越小溶液稳定性越好.5碳的同素异形体作为润滑油添加剂的性能石墨是传统的固体润滑材料,其晶体结构为层状,层与
16、层直径是以范德华力结合,因此石墨具有良好的润滑性能.石墨具有耐高温,抗腐蚀,自润滑等性能,并且无化学污染造价低,这为它的应用提供了更广阔的空间.石墨纳米颗粒作为润滑油添加剂也具有优异的性能.浙江大学黄海栋等采用搅拌球磨法制备了片状纳米石墨.其平均直径为1微米,厚度在1020nm之间,将这种片状石墨分散在液体石蜡中,对其进行摩擦学实验,发现润滑油的承载能力由373N增加到了460N,钢球表面的磨痕也变得较为光滑平整,这说明加入片状纳米石墨增加了基础油的抗磨减摩性能.华中科技大学官文超等对平均粒径为37.3nill的石墨粉进行了表面修饰,合成了纳米石墨聚丙烯酸乙酯复合乳液,并进行了摩擦学实验,实验
17、表明这种纳米石墨添加剂的添加量达到0.3%时润滑油的极压值达到最大800N,并且磨斑明显减小.不经如此,加入这种复合乳液还能大大缩短磨合周期.究其机理可归结为以下几点,第一,石墨为层状晶体结构,层与层之间以范德华力结合易滑离,减摩效果好.第二,纳米石墨易沉积,在摩擦剪切力及法向载荷的作用下,石墨层与层之间发生滑动,形成薄片状润滑膜,更有利于抗磨减摩.纳米金刚石是一种新型的无污染的碳材料,利用负氧平衡炸药在密闭容器内轰爆生产纳米金刚石粉是一种新兴的技术,并且已经完成了产业化研究.纳米金刚石颗粒粒径为710nm,它是碳液滴”骤冷”结晶生成的.纳米金刚石颗粒兼具有纳米材料和金刚石的优异性能,硬度高,
18、化学稳定性好.它有独特的球状外形,表面有丰富的官能团,如羟基,羰基,羧基等,这些官能团为其发生化学反应提供了可能,同时有助于其在润滑油中稳定分散.研究发现在长城润滑油中加入1%的纳米金刚石颗粒后,摩擦系数由0.16下降到了0.04,减摩效果明显.加入纳米金刚石还能加速内燃机的磨合过程,并提高磨合品质和油膜承载能力,发生卡咬的载荷接近基础油的两倍.纳米金刚石的抗磨减摩机理可归结如下:一是优异的承载能力,由于金刚石4液压与气动2012年第6期硬度极高,使其能够承受更高的载荷.二是纳米金刚石对摩擦副表面的抛光和渗透作用.由于纳米金刚石颗粒极小硬度极高.在运动过程中,对摩擦副表面的尖凸进行自由磨削,去
19、除微峰使摩擦副表面更光滑,并使机器”跑和”时间大大缩短,”跑和”精度增加.同时纳米金刚石在摩擦过程中渗透到摩擦副表面使其硬度大幅增加.三是表面自修复和滚球效应.极小的纳米金刚石填充在材料表面的凹坑中,实现自修复.同时纳米金刚石颗粒可在摩擦表面之间滚动形成”微轴承”,变滑动摩擦为滚动摩擦,减小磨损.四是表面薄膜效应,金刚石纳米颗粒在摩擦副表面形成一层连续的润滑膜,改善摩擦副表面硬度和耐磨强度,并且阻止两表面直接接触.五是金刚石在摩擦过程中向石墨转变,提高润滑性能.在十分苛刻的条件下,摩擦副之间产生高温,纳米金刚石形成的润滑膜发生表面石墨化,这些石墨层会起到良好的减摩润滑效果,这种转化在黑色金属摩
20、擦副中更易发生.富勒烯分子呈球状,它是60个碳原子以CC键相连组成的32面体空心笼状结构分子,它的抗压能力强,硬度高,热稳定性好,有很好的摩擦学特性.但由于富勒烯在润滑油中难分散且不稳定,早期的研究并不能达到理想的润滑效果.对富勒烯进行表面修饰制备的富勒烯马来酸酐聚合物微球和富勒烯一聚苯乙烯一马来酸酐三元共聚物微球提高了富勒烯在润滑油中的分散性,对润滑性能的改善有很大帮助.研究表面经表面处理的富勒烯能使基础油极压值提高约270%,摩擦系数减小73%.碳纳米管是富勒烯的一种衍生物,中间为中空管状,两头为半球状.碳纳米管在改善低载润滑性能方面表现出良好的性能,但在载荷很高时效果不明显.清华大学郭晓
21、燕等对长12微米直径1120Bin经表面修饰的碳纳米管的摩擦学性能进行了实验研究,实验证明碳纳米管的添加量在0.0125%0.05%之间时润滑性能最好,磨斑直径最大降幅达30%,摩擦因数降低28%.富勒烯和碳纳米管的减摩机理基本相同,都是在摩擦副之间形成”隔离层”,避免直接接触.另外它们都能在摩擦副表面实现微滚动,减小摩擦.但是富勒烯的润滑效果比碳纳米管要好的多,这主要是因为富勒烯为球状,更利于滚动,另外富勒烯还可以渗人材料表面加强材料硬度.纳米管尺寸较大影响润滑效果.但碳纳米管造价低,这有利于它应用于实际生产中.6纳米磁性颗粒作为润滑油添加剂的性能将纳米级的磁性颗粒如四氧化三铁等经过表面修饰
22、后分散在润滑油中,能显着提高润滑油的性能.这就是近来研究很多的磁流体润滑,这种磁性颗粒的尺寸在510nm之间,极小的尺寸对改善润滑油的性能起着关键性的作用,有研究表明在磁性颗粒质量分数为10%时润滑性能最好,摩擦因数最大可降低35%左右.除此之外,由于多数磁流体都表现出超顺磁性,在外部磁场的作用下其粘度会发生很大的变化,在润滑过程中我们可以根据不同的工况改变外加磁场强度以达到最优的润滑效果.池长青开创性的指出磁流体润滑是为了利用外加磁场来调节磁流体的承载能力,而不仅仅是为了获得高的承载能力.外加磁场控制磁流体润滑另一个显着的优点就是使磁流体在摩擦副表面形成的吸附膜更牢固更持久.另外在磁场的作用
23、下润滑油会始终保持在需要润滑的部位,实现自密封的功能.还省去了传统润滑所必需的泵等辅助设备,节省开支,节约能源.大多机械磨损最严重的时期都发生在机器启动工程中,这是因为这机器停运的时润滑油都回流到了油箱,摩擦副之间没有润滑油,直接接触,机器启动时润滑油不能及时流到摩擦副表面,造成磨损严重.磁流体润滑为这一难题提供了解决方案,磁流体纳米颗粒在磁场的作用下一直吸附于摩擦副表面,未启动先保护,这就避免了机器启动工程中的严重磨损,延长机器寿命.7总结纳米颗粒作为润滑油添加剂具有显而易见的优良性能:降低润滑油摩擦因数,增强摩擦副材料的抗磨能力等.不同的纳米材料对润滑油的性能影响也差别很大,综观各种纳米添
24、加剂,纳米磁性颗粒添加剂有其它纳米添加剂不能比拟的优势,未来应用前景广阔.各种纳米颗粒作为润滑油添加剂有一个共同的制约因素分散稳定性.从本文综述不难看出纳米颗粒添加剂的极限浓度无一不是因为颗粒的团聚造成的磨损加重.研制性能更好的分散剂,改进分散方法,对纳米颗粒进行表面改性以增强分散稳定性无疑是今后研究的重要方向.参考文献:1ZhangZhijun,ZhangJun,XueQunji.TheSynthesisandCharacterizationofMolybdenumDisulfideNanoclusterJ.PhysicalChemistry,1994,99(12):973977.2012年
25、第6期液压与气动5基于多位置油路块的叠加阀集成式凿岩钻车液压系统郑澈.DrillingRigHydraulicSystemwithMultiStationManifoldBlockandStackedValveIntegrationZHENGChe(山东交通学院,山东济南250023)摘要:分析了基于多位置油路快的叠加阀在工程机械上应用的特点和存在的不足.设计了基于多位置油路快的叠加阀凿岩钻车液压系统,该系统动作多,集成化程度高,安装,调节方便.简述了该凿岩钻车部分液压系统的工作原理.关键词:多位置油路块;叠加阀;液压系统中图分类号:TH137文献标志码:B文章编号:1000-4858(201
26、2)06-0005-031前言1.1多路换向阀控制系统的特点液压传动与控制由于所占空间小,重量轻,输出功率大等优点,已经广泛地应用于工程机械.目前工程机械常采用多路换向阀控制液压系统油路的通断关1.卜*一*2XueQunji,LiuWeimin,ZhangZhijun.FrictionandWearPropertiesofaSurfaceModifiedNanopartieleasanAdditiveinLiquidParaffinJ.Wear,1997,213:2932.3马剑奇,王晓波,付兴国,等.油溶性cu纳米微粒作为15W/40柴油机油添加剂的摩擦学性能研究J.摩擦,2004,24(2
27、):134137.4郭志光,徐键生,顾卡丽,等.纳米铜润滑添加剂在四球机上的摩擦学性能研究及机理探讨J.润滑与密封,2005,172(6):6063.5王晓丽,徐滨士,许一,等.高速高温下发动机纳米铜润滑材料的摩擦学行为J.粉末冶金材料科学与工程,2009,14(6):407411.6赵彦保,张治军,吴忠申,等.锡纳米微粒的摩擦学性能J.应用化学,2003,20(12):11571160.7张蕾蕾,马剑琪.油溶性ZnO纳米微粒的制备及摩擦学性能研究J.润滑与密封,2009,34(9):5456.8周立涛,刘伟.A1:O,六方BN纳米润滑油的摩擦学性能试验研究J.润滑与密封,2007,32(2)
28、:159161.9ChenShuang,LiuWeimin,OuZhongwen,eta1.TribologicalBehaviorofOleicAcidCoatedNanoparticlesasAdditiveJ.Tribology,2001,21(5):344347.1O黄伟九,彭成允,王应芳,等.纳米ZrO:作为润滑油添加系,多路换向阀的中间位置回油通道可以满足液压系收稿日期:20111129作者简介:郑澈(1957一),男,山东济南人,教授,硕士,主要从事液压技术方面的教学和科研工作.*一仆剞*社_书*r*剂的摩擦学性能研究J.湘潭矿业学院,2001,16(4):2831.11曹智,李
29、小红,张治军,等.表面修饰SiO纳米微粒对锂基脂抗磨性能影响的研究J.摩擦,2005,25(9):389392.12于旭光.纳米MoS的摩擦学特性J.有色金属,2006,58(4):58.13陈文君,文庆珍,朱金华,等.油酸修饰PbS纳米微粒的原位合成与抗磨性能研究J1.材料保护,2008,419(12):1720.14黄海栋,徐江平,干路平,等.片状纳米石墨的制备及其作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能J.摩擦学,2005,25(4):312315.15官文超,刘益峰,黄明星.纳米石墨/聚丙烯酸乙酯复合乳液的合成及润滑性能研究J.润滑与密封,2005,(3):1719.16郭晓燕,彭倚天,胡元中,等.碳纳米管添加剂摩擦学性能研究及机制探讨J.润滑与密封,2007,32(I1):9597.17UhlmannE,SpurG,BayatN,eta1.ApplicationofMagneticFluidsinTribotechniealSystemsJ.JournalofMagnetismandMagneticMaterials,2002,252:336340.
