纳米介孔碳与纳米介孔二氧化硅的复配体系作为润滑油添加剂的摩擦学性能

王祥洲，何天稀，陈波水，马雪亮

（中国人民解放军后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系， 重庆 401331）



纳米介孔碳与纳米介孔二氧化硅的复配体系作为润滑油添加剂的摩擦学性能

王祥洲，何天稀，陈波水，马雪亮

（中国人民解放军后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系， 重庆 401331）

用均匀设计法将纳米介孔碳与纳米介孔二氧化硅进行复配，利用四球摩擦试验机对复配剂摩擦学性能进行测试。发现复配体系能较好地改善润滑油的抗磨减摩性能；复配体系中纳米介孔碳和介孔二氧化硅均能发挥各自优势，分别改善润滑油的极压性能和减摩性能。

纳米介孔碳；纳米介孔二氧化硅；抗磨减摩；四球试验

自从20世纪九十年代发现了有序介孔二氧化硅以来，介孔二氧化硅纳米粒子（MSNS）因为其独特的介孔结构特性（高的比表面积、大孔隙体积、粒子大小可调和灵巧的功能化）引起了广泛注意［1-3］。由于其化学惰性和良好的生物相容性，使其在细胞成像、诊断、生物样品分析和药物/基因/蛋白质传递方面具有广泛的应用前景［4，5］。本课题组前期研究表明将纳米介孔碳加入到润滑油中，能显著提高润滑油的抗磨减摩性能，特别是能提高润滑油运行的极限负荷，改善恶劣环境下的工况，但合成纳米介孔碳的研究还不够成熟，对合成的介孔碳的形貌控制还不够有效。而介孔硅基材料有类似与介孔碳的介孔结构，具有良好的吸油和储油性能，在摩擦过程中通过释放孔中储存润滑油而形成油膜，可以有效实现润滑作用，特别是球形的介孔二氧化硅，在摩擦过程中可以起到微轴承和微滚珠的作用，可以变滑动摩擦为滚动摩擦，有效减少摩擦系数，并且合成介孔二氧化硅比合成介孔碳的成本低［6］。同时通过前面的研究发现，添加有介孔碳的润滑油长磨实验后的钢球磨斑没有球形二氧化硅作为润滑油添加剂长磨实验后的磨斑圆整。在润滑油极压测试中，添加有介孔碳的润滑油具有良好的极压性，介孔碳的加入能显著提高润滑油的烧结负荷； 而润滑油中加入介孔二氧化硅后对烧结负荷的改善没有前者明显。

在本文中我们将纳米介孔碳与球形纳米介孔二氧化硅进行复配使用，考察二者是否具有协同效应，以期望对润滑油的抗磨减摩性能得到更好的改善。

1　实验部分

1.1试剂及仪器

纳米介孔碳和纳米介孔二氧化硅；油酸；石油醚；无水乙醇；基础油（500SN）；钢球；光学显微镜；EL系列电子天平；MMW-1P双显示立式万能摩擦磨损试验机；MQ-800型四球摩擦试验机。

1.2纳米介孔碳的改性

表面改性方法一般分为干法和湿法，本实验采用湿法。首先将介孔碳配成一定浓度的悬浮液，在水浴环境下利用数控超声清洗器对纳米介孔碳进行超声分散10 min，90 ℃下加入改性剂的石油醚溶液，超声分散20 min，搅拌1 h，静置1 h后倒入离心分离机中进行离心，去除上清液后放入烘箱中在100 ℃下烘干4 h，干燥后即得到改性介孔碳产品。

1.3纳米介孔二氧化硅的改性

纳米介孔二氧化硅的改性参照1.2中的纳米介孔碳的改性方法进行改性。

1.4抗磨减摩性能测试

使用的摩擦磨损试验机：MMW-1P双显示立式万能，润滑油的抗磨减摩性能评价方法按照GBT3142-92进行。实验所用钢球（GCr15轴承钢：C 0.95%～1.05%，Mn 0.25%～0.45%，Si 0.15%～0.35%，S＜0.025%，P＜0.025%，Ni＜0.30%，Cr 1.40%～1.65%，Cu＜0.025%，其直径为 12.7 mm，硬度为59～61 HRC，表面粗糙程度（Ra）0.020 6μm）。试验中控制四球机转速为（1 200± 5）r/min，试验力矩为392 N，长磨时间为60 min，试验温度（75±2）℃，每次试验后用镊子夹取钢球在石油醚溶液中清洗赶紧，风干，在光学显微镜下读取钢球表面磨斑直径，并用相机拍照。

1.5极压性能测试

用四球机测定PB和PD，其中PB为实验条件下钢球不发生卡咬的最大负荷，PD为实验条件下钢球发生烧结负荷。

2　结果与讨论

2.1实验设计

按照均匀实验设计表采用采用 2个因素，10组水平，两因素分别为纳米介孔碳和球形二氧化硅的添加量，分别设其为x1，x2。设定 x1与x2变化范围都为0～0.01，按照均匀表，设计表1如下所示。

表1　纳米介孔碳与纳米介孔二氧化硅复配的均匀设计表Table 1 Uniform design of composition of nano mesoporous carbon and nano　mesoporous silica

为比较复配剂相对于单剂的效果，设计与 10组水平对比实验，每组各单剂的加入量与前面相平行复配剂加入量和相等，如表2所示。

表2　对比实验Table 2 Contrast test　　　　%

图1　复配组合与单剂的抗磨减摩性能Fig 1 The friction coefficient & antiwear reducing properties of the combined system and　single dose

2.2抗磨减摩性能

图1为添加复配剂和单剂的润滑油的摩擦系数（上）和磨斑直径（下）示意图。从图1中可以看出，润滑油中添加纳米介孔碳和介孔二氧化硅复配体系可以提高润滑油的减摩效果，在第二组水平时减摩效果最好，相对于基础油，摩擦系数减少了33.5%。磨斑直径与摩擦因数的变化大体一致。在第二组水平时磨斑直径减少了46.1%，但第10组水平时磨斑直径与基础油磨斑直径大小相当，其原因可能是高浓度的纳米介孔碳在高温高压条件下在钢球表面发生团聚，从而对边界膜的形成造成了影响，使摩擦磨损加剧。由图中可以看出，复配体系与同水平的单剂二氧化硅的摩擦系数和磨斑直径差别较小，两者的摩擦系数和磨斑直径折线都有四个相交点，说明在有些添加量下，介孔二氧化硅单剂的减摩性能比复配体系好，反之，在其他的添加量下，介孔二氧化硅单剂的减摩性能比复配体系差，但从图中可以清晰地看到，复配体系与介孔二氧化硅单剂的摩擦系数和磨斑直径折线都在介孔碳单剂之下，可以得出，复配体系中介孔二氧化硅在减摩抗磨中起主要作用，而介孔碳的减摩抗磨性能相对较弱。

图2　复配组合与单剂的PB和PD值Fig.2 The PBand PDvalues of combined system and single dose

2.3极压性能

图 2为添加复配剂和单剂的润滑油的极压性能，从图中可以看出，复配体系可以显著提高润滑油的极压性能，其中第五和第八组水平相对于基础油，PB提高了47.2%，第六组相对于基础油，PB提高了 64%，第七组水平相对于基础油，PB提高了42.1%；第五、第七和第八组水平相对于基础油，PD提高了3倍，第六组水平相对于基础油，PD提高了2.15倍，从图中可以清晰地看到，复配体系的PD值远远大于介孔二氧化硅单剂，介孔碳单剂的极压性能与复配体系差别较小，可以得出，复配体系中介孔碳能充分发挥其极压性能。

由上面分析可知，纳米介孔碳和介孔二氧化硅的复配体系能有效地改善润滑油的摩擦学性能，纳米介孔碳和介孔二氧化硅的复配体系能发挥各自优势，分别改善润滑油的极压性能和减摩性能。

3　结 论

对纳米介孔碳与介孔二氧化硅采用均匀设计法进行复配，用四球摩擦磨损试验机比较复配体系与介孔碳和介孔二氧化硅单剂作为润滑油添加剂的摩擦学性能，主要结论如下：

（1）纳米介孔碳和介孔二氧化硅的复配体系能有效地改善润滑油的摩擦学性能，纳米介孔碳添加量为0.2%（wt）、介孔二氧化硅添加量为0.3%（wt）时，复配体系减摩效果最好，相对于基础油，摩擦系数减少了33.5%，磨斑直径减少了46.1%。

（2）纳米介孔碳和介孔二氧化硅的复配体系能发挥各自优势，分别改善润滑油的极压性能和减摩性能。

［1］ Beck J S， Vartuli J C， Schmitt K D， et al.A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates. J. Am. Chem. Soc. 114， 10834-10843［J］. Journal of the American Chemical Society， 1992， 114：10834-10843.

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Tribological Properties of Combined System of Nano Mesoporous Carbon and Nano Mesoporous Silica as Additives in Lubricating Oil

WANG Xiang-zhou, HE Tian-xi, CHEN Bo-shui, MA Xue-liang
（Department of Military Oil Aplication & Management Engineering, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401331，China）

The combined system of nano mesoporous carbon and nano mesoporous silica was designed by the uniform design method，and its antiwear and friction reducing properties were studied by four-ball tester. The results show that the combined system can improve the anti-wear anti-friction performance of the lubricating oil well. Nano mesoporous carbon and mesoporous silica can play their respective advantages to improve the performance of extreme pressure and antifriction performance of the lubricating oil.

nano mesoporous carbon; nano mesoporous silica; friction-reducing and anti-wear; full-ball test

王祥洲（1990-），男，湖南邵阳人，硕士，研究方向：从事军用油料应用研究。E-mail：394870944@qq.com。

TE 624

A

1671-0460（2016）05-0884-03

重庆市科委基金，项目号：cstc2014jcyjA0595。

2016-04-17