纳米润滑油研究进展及其在工程机械领域的应用探讨

罗金琼,林博,梁浩,韦海

(广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007)

纳米润滑油研究进展及其在工程机械领域的应用探讨

罗金琼,林博,梁浩,韦海

(广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007)

纳米润滑油是目前润滑油领域的一个研究热点，为了分析纳米润滑油在工程机械领域的应用可能性，文章通过国内外文献查阅综述了纳米金属类、纳米金属氧化物及盐类、C衍生物类润滑油研究现状。纳米润滑油评价方法有纳米颗粒表征、摩擦磨损实验、稳定性实验、发动机台架和整车试验，目前的研究大多集中在用摩擦磨损实验评价不同纳米粒子的摩擦学性能，其中，改性纳米Cu、纳米Al2O3、石墨烯等润滑油在实验室条件都表现出良好的抗磨减摩性能。然而若要推进纳米润滑油的标准化应用，不仅需要考察抗磨减摩指标，还需要考察油品黏度、油品对金属的腐蚀、油品高低温稳定性等指标并联合OEM进行实际工况验证。文章还进行了装载机整车测试和变速箱台架测试，从试验结果可以推断出纳米润滑油在延长零部件寿命和润滑降噪方面具有巨大潜力。

纳米润滑油；工程机械；抗磨减摩；性能；应用

1 纳米润滑油的发展背景

摩擦和磨损损失了世界一次能源的50%以上，例如，在发动机的整机损失中，活塞、缸套和活塞环的摩擦功耗占到45%～65%，配气机构消耗的摩擦功约占发动机总摩擦功15%～20%。润滑是减少摩擦磨损的主要措施之一，润滑油的研究开发一直都是能源、机械、摩擦学、润滑等领域的热点。随着科技技术不断进步、人民生活水平不断提高、国防实力不断增强，机械设备出现了更多高温、低速、重载等工作状态，这就要求润滑油有较好的边界润滑性能和抗磨性能。降低摩擦的方式之一是充分利用流体润滑油流变学，减少流体剪切、搅拌和泵送损失，在实际应用中表现在保证滑动润滑的前提下尽可能降低润滑油黏度。另一种方法是在润滑油中添加抗磨改性剂改善边界或混合摩擦性能。Hugh Spike综述了抗磨添加剂，包括有机摩擦改性剂、油溶性有机钼添加剂、特定功能的高分子、纳米添加剂[1]。

纳米润滑油一般是将纳米添加剂(1～500 nm)分散到基础油中形成。从理论上说纳米颗粒的尺寸足够小使得它可以通过布朗运动均匀分散到基础油中，它可以毫无阻碍地通过滤清器。纳米粒子具有不挥发、高温稳定性较好、尺寸小、表面能高等特点，因此纳米润滑油可以通过物理吸附或化学反应在摩擦副表面形成稳定的边界润滑膜并提高摩擦副的摩擦学性能[2]。研究者认为纳米润滑油提高摩擦学性能的机理体现在以下几点：纳米颗粒易于在摩擦表面滑动，减小滑动与滚动摩擦因数；纳米粒子进入磨损部位微小裂缝中，对其凹凸不平处进行填补，使之趋于平滑，宏观效果上机械运行更平稳，振动、噪声更低；纳米氧化物、纳米硫化物、纳米氮化物等纳米粒子对金属表面有较强的亲和能力，在极压和高温条件下与金属表面形成牢固的摩擦反应润滑膜[3]；铜、镍等软金属纳米材料一般具有面心立方晶格结构，其晶体具有各向同性，并且剪切强度较低，因此在发生摩擦时，软金属会在对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在转移膜之间，从而降低摩擦因数[4]。

目前国内外对纳米添加剂的研究较多，但是关于纳米润滑油的综述较少。M. Gulzar[5]综述了纳米添加剂的种类、分散稳定性研究现状；申巧红[6]综述了纳米添加剂的种类和抗磨机理。本文重点关注纳米添加剂在润滑油中的应用研究和性能评价，综述了纳米润滑油评价方法以及纳米润滑油抗磨减摩效果，讨论了纳米润滑油在工程机械领域应用可能性。

2 纳米润滑油评价方法

(1)纳米颗粒表征

纳米润滑油中的纳米添加剂可以通过傅里叶红外光谱仪、X射线衍射、拉曼光谱等表征样品的分子结构；可以通过马尔文激光纳米粒度分析仪表征其平均粒径的大小以及粒径分布的均匀程度；还可以通过原子力显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜观察纳米粒子粒径和表面形貌。

(2)摩擦磨损实验

目前，摩擦磨损实验常用的设备有Optimal SRV 4摩擦磨损试验机和四球试验机。SRV多功能试验机可以测试油样在不同载荷下的摩擦因数；四球摩擦磨损试验机可以获得平均摩擦因数、磨斑直径、磨损量以及润滑油最大无卡咬负荷等评价指标。刘钊将超高碱值纳米磺酸钙加入到900NT基础油中并利用SRV多功能试验机分别测试了含不同比例添加剂的油样在不同载荷下的摩擦因数，再利用四球摩擦试验机测试各个油样的最大无卡咬负荷值，并将所得实验数据与基础油进行对比[7]。何志伟等人利用四球试验机四球摩擦实验表明，改性石墨烯纳米片添加质量分数为0.1%时，平均摩擦因数降低45%[8]。

(3)润滑油稳定性实验

纳米添加剂在油品中容易团聚，应用纳米润滑油之前必须解决纳米润滑油稳定性问题。为了让纳米粒子均匀分散到油品中，人们通常用表面改性剂改性纳米粒子并利用静置沉降实验、高速离心试验或吸光度测试实验研究润滑油稳定性。对于静置沉降实验，经过相同的沉降时间后，上层清液的高度越高且颜色越亮，分散稳定性就越差。高速离心试验和吸光度测试往往结合起来考察纳米润滑油稳定性。先将润滑油高速离心，再测试上层清液的吸光度，吸光度越大，表明分散稳定性越好[9]。

(4)发动机台架与整车试验

研究者发现Optimal SRV 4摩擦磨损实验和四球试验并不能反应纳米润滑油在实际工况下的抗磨性能，所以产品在应用之前还需进行发动机台架实验和整车实验。大连理工大学刘浩等人通过发动机台架实验研究了纳米金刚石润滑油的实际应用情况，研究发现当添加纳米金刚石颗粒的质量分数为0.05%、0.08%和0.10%时，相比于基础润滑油平均机械损失功率降低了0.5%、0.4%和1.5%[10]。安德纳国际贸易(上海)有限公司用整车测试来验证A9 润滑油在NEDC 循环工况下对整车油耗和排放的影响。测试结果表明A9纳米润滑油降低了整车33%的HC(碳氢化合物)排放，减少了25%的CO(一氧化碳)排放，减少了50%的NOX排放[11]。大连理工大学刘浩等人还利用活塞-气缸套温度场试验研究发动机热负荷状态，研究发现使用质量分数为0.1%的纳米金刚石润滑油后，活塞顶面中心、燃烧室边缘的温度分别降低了8 ℃、10 ℃[10]。

目前纳米润滑油的评价方法主要有上述几类，可以看出离标准化应用还有很远的距离。然而从评价案例中看出，纳米粒子在基础油中表现出优异的抗磨减摩效果，在润滑油中表现出节能减排的效果，说明纳米润滑油很有继续研究的必要。

3 纳米润滑油研究进展

本文根据常用的纳米添加剂的种类将当前研究的纳米润滑油分为纳米金属类润滑油、纳米金属氧化物或盐类润滑油、C衍生物类润滑油。

(1)纳米金属类润滑油

纳米金属类润滑油主要指将纳米金属，如纳米尺寸的Cu、Sn、Au、Ag等金属分散到基础油或者成品油中得到的润滑油。纳米金属一般通过化学还原法、多元醇法、电化学法等方法制备。对于纳米金属，研究发现纳米铜与纳米锡改性润滑油的抗磨性能较好，而纳米金和纳米银改性的润滑油在摩擦副形成的油膜在高速条件下容易破坏[12]。1994年, 中科院兰物所展开了把纳米材料作为润滑油添加剂的科学研究，2004年，终于成功研发出“纳米润滑油节能抗磨添加剂”这一产品。他们将质量分数为0.1%的纳米铜粉加入到SJ级汽油机油中，平均摩擦因数可降低约29%[13]。兰州理工大学徐建林等人发现40 nm锑粉能提高900 SN基础油的抗磨性能，摩擦因数可降低58.97%[9]。

(2)纳米金属氧化物及盐类润滑油

纳米金属氧化物及盐类润滑油指将纳米尺寸的TiO2、Fe2O3、CuO、ZrO2、Al2O3、MgCO3等分散到基础油或者成品油中获得的润滑油。纳米金属氧化物可以通过微乳液、溶胶-凝胶法、沉淀法、热分解法、水热法、有机配合物前驱体法、固相法、气相法等方法制备。对于纳米金属氧化物及盐类，TiO2、Fe2O3改性的润滑油抗磨性能表现一般，而La(OH)3减摩效果好，CuO、ZrO2在润滑油中的抗磨减摩性能好[14]。纳米粒子高的表面能使得它们很难在基础油中分散均匀，少量的表面改性剂有望解决这个问题。Ali M A M等人用十二烷基苯磺酸钠作为表面改性剂改性纳米Al2O3，并用在钛合金加工用润滑油中，发现纳米粒子降低了加工界面的摩擦效应，降低了切削力并减少刀具磨损[15]。高亚军将纳米石墨和多壁碳纳米管耦合到羟基硅酸镁中，提高了油品的极压性能,使润滑油PAO10的承压极限从700 N増加到1000 N，提升43%[16]。高传平发现质量分数为1.5%磁性 Fe3O4纳米颗粒能改善40#润滑油中的抗摩擦性能，其中，六方片状、八面体状和不规则状磁性纳米Fe3O4使40#润滑油的平均摩擦因数分别降低 58.16%、47.96%、34.69%[17]。

(3)C衍生物类润滑油

纳米C衍生物类润滑油指将纳米尺寸的石墨烯、富勒烯、类富勒烯结构的IF-MoS2、IF-WS2加入到基础油或成品油中得到的润滑油。对于C衍生物，纳米尺寸的C60、石墨、MoS2性能相似，都能在摩擦副形成转移膜且具有“微轴承”效应，抗磨减摩性能好。石墨烯和具有类富勒烯结构的IF-MoS2、IF-WS2是目前摩擦学研究的热点[18]。纳米C衍生物可以通过机械剥离法、高温还原氧化、化学气相沉积法、液相超声剥离法等方法制备，石墨烯的改性和复配是当前纳米C衍生物类润滑油研究热点[19]。Aref A H[20]和Ahammed N[21]研究发现改性石墨烯纳米片可以应用于工业冷却液。井致远发现质量分数为0.8% MoDTC和质量分数为5%石墨烯溶液同时添加到CD基础油中能够发挥减摩协同作用，Optimal SRV 4摩擦磨损实验表明油样MG在100 ℃、100 N的条件下摩擦因数仅为0.054，较CD油降低了61.4%[22]，张飞霞发现RGO/MoS2纳米复合材料改性的润滑油抗磨性能比纯的MoS2更好， RGO/MoS2纳米复合材料作为润滑油添加剂使液体石蜡油摩擦因数降低了18%[23]。王万平用DY-MRY型抗磨试验机测试了石墨烯/5W-30润滑油的最大无卡咬负荷和磨斑直径，发现随着石墨烯浓度的增加，最大无卡咬负荷值先增大后减小，磨斑直径先减小后增大，石墨烯的最佳质量分数浓度为0.15%[24]。胡华华发现5%纳米金刚石粉能改善32#矿物油的摩擦磨损性能，使润滑油摩擦因数从0.097下降到0.092，使PB值从44 kg 提升到了56 kg[25]。

随着工程机械的大型化，结构件、传动件承受的载荷和冲击增大，对润滑剂也提出了更高的要求。润滑不良极易导致摩擦副早期磨损，装载机举升异响，齿轮传动噪声；而优良的润滑剂可以改善摩擦副的磨合状态，使摩擦副运转平顺，甚至减弱传动件在复杂工况下的振动并降低噪声。针对装载机举升异响问题，将某一纳米粒子添加到润滑脂中并进行装载机举升5 t重物的整车测试，通过拆解结果发现添加纳米粒子的润滑剂能降低销轴表面磨损程度；通过铰接点噪声监控发现添加纳米粒子的润滑剂使装载机举升异响消失。传动系统噪声一直是工程机械领域的瓶颈，针对变速箱噪声突出问题，进行了某纳米润滑油在变速箱台架上的耐久性测试，通过对比不同润滑油在911 h耐久性试验前后的噪声值发现，普通润滑油润滑的变速箱噪声降低3 dB；纳米润滑油润滑的变速箱噪声降低8.7 dB。综上，认为纳米润滑油具有延长零部件寿命和润滑降噪的巨大潜力。然而，目前纳米润滑油的研究深度还不够，尽管有某些性能指标的改善，却不能代表工程机械实际工况。纳米润滑油的产业化不仅需要考察抗磨减摩指标，还需要考察油品黏度、油品对金属的腐蚀、油品高低温稳定性等指标。若要继续推进纳米润滑油的标准化应用，还需要联合OEM共同进行多项指标考察和实际工况验证。

4 展望

目前很难对纳米添加剂作为抗磨改性剂的效果进行确切评价，因为纳米粒子分散到基础油中需要使用表面改性剂改性分散性，很多研究表明表面改性剂也有减摩作用，于是无法分清纳米粒子对减摩效果的贡献。此外，纳米粒子不像可溶解类添加剂，它们如何被传送到摩擦表面再进行吸附取决于摩擦副的工作情况，同样的纳米润滑油在不同测试方法和测试条件下的减摩性能差别很大。保证纳米润滑油的有效性必须满足分散在摩擦副之间的纳米粒子足够多，当纳米润滑油应用在滚动的摩擦副时，摩擦副之间的流体会受到切向作用力，很难保证足够多的纳米粒子能吸附在摩擦副表面。今后纳米润滑油的总体研究方向将是用有机物改性纳米添加剂以保证纳米粒子能够吸附在摩擦副表面。

从目前的研究来看，纳米润滑油在工程机械领域的研究几乎空白。鉴于目前改性纳米Cu类润滑油、纳米Al2O3润滑油、石墨烯类润滑油在实验室条件都有良好的抗磨减摩性能，纳米润滑油理论上能为工程机械起到抗磨减摩、节能环保、降噪减排的作用[26]。认为目前纳米润滑油的技术应用存在以下问题：①纳米添加剂的制备大部分仅限于实验室测试，批量制备技术目前还不成熟，且缺乏完善的质量控制标准。②纳米添加剂稳定性和分散性目前还没有得到很好的解决，工程机械的换油周期一般在500～2000 h之间，并且润滑油需要经历频繁的高低温交变，实验室的静置沉降试验、离心试验等与实际应用工况相差较大，不足以证明实际应用过程中的分散稳定性。③纳米添加剂的作用机理及与其他润滑油添加剂的配伍性有待进一步研究。目前润滑油添加剂行业对此种技术的认可度较低，如果批量应用还需要通过相关OEM认证测试，因此还有很长一段路要走。

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Discussion on Research Progress of Nanometer Lubricating Oil and Its Application in the Field of Construction Machinery

LUO Jin-qiong, LIN Bo, LIANG Hao, WEI Hai

(Guangxi Liugong Machinery Co., Ltd., Liuzhou 545007, China)

As nanometer lubricating oil is a hot research topic in the field of lubricating oil, this article has a review on the research status of three kinds of lubricating oil of nanometer metals, nanometer metal oxides and salts, C derivatives through collected literatures at home and abroad to analyze the application possibility of nanometer lubricating oil in the field of engineering machinery. Nanometer particle characterization, friction and wear experiment, stability experiment, engine test bench and vehicle test can be used to evaluate the nanometer lubricating oil, whereas the present studies focus their energies on tribological properties of nanometer particles through friction and wear experiment, revealing good anti-wear and antifriction performance of nanometer Cu, nanometer Al2O3and nanometer graphene. In order to promote the standardization application of nanometer lubricating oil, not only anti-wear and antifriction performance, but viscosity, metal corrosion property, high and low temperature cycle stability, actual working condition verification conducted by OEM as well should be taken into consideration. Loading machine test and gearbox bench test were carried out in this paper, which can be deduced from the test results that the nanometer lubricating oil has great potential in prolonging the life of the parts and reducing the noise of mechanical operation.

nanometer lubricating oil; engineering machinery; anti-wear and friction-reducing; property; application

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.002

1002-3119(2017)05-0007-05

TE626.3

A

2017-05-12。

罗金琼，硕士，工程师， 2017年毕业于燕山大学材料科学与工程学院材料学专业，从事设备润滑和诊断方面的研究,曾经公开发表论文2篇。E-mail: Luojq@Liugong.com