结构对纳米二硫化钨抗磨减摩性能影响研究

毛纪昕，胡建强，杨士钊，徐新，郭力

(空军勤务学院 航空军需与燃料系，江苏 徐州 221000)

近年来，有研究者将纳米二硫化钨添加进油品中，用来提升油品的润滑性能[1-2]。纳米二硫化钨晶体通过较弱的范德华力结合[3]，容易发生滑移，具有优异的润滑性能，并且独特的结构还使其具有良好的化学稳定性、热稳定性和抗氧化性能[4-7]。

有研究发现，纳米颗粒在介质中的含量多少、尺寸大小和晶型结构等因素对其抗磨减摩性能都有不同程度的影响[8-10]。其中，纳米颗粒的结构是影响纳米粒子在润滑油中发挥润滑效果的一个重要因素[11]。

本文主要对不同结构的纳米二硫化钨进行了对比研究，探究结构对其润滑性能的影响，以期对纳米二硫化钨添加剂的开发利用提供更多的理论支持。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

90 nm二硫化钨(包括片状90 nm二硫化钨、层状90 nm二硫化钨)，由中科院成都有机化学研究所提供；100 nm二硫化钨，由上海在邦化工有限公司提供；500 SN基础油，由上海高桥炼油厂提供；甲基萘、石油醚(60～90 ℃)均为分析纯；试验钢球(直径为12.7 mm，材质为精密轴承钢CCr15，硬度为64HRC)，由上海钢球厂提供。

MQ-10P四球试验机；CPA225D电子天平(0.1 mg)；BILON超声波材料乳化分散器。

1.2 抗磨减摩性能测试

采用四球试验机，根据 GB/T 12583—90 方法分别测试不同结构的纳米二硫化钨在500 SN基础油中的抗磨减摩性能。实验条件为：转速 1 450 r/min，室温，长磨时间30 min，分别载荷294，392，490 N。实验前钢球经过石油醚超声波清洗，除去其表面上的防护油脂。

2 结果与讨论

2.1 纳米尺寸对二硫化钨摩擦性能的影响

用电子天平分别准确称量0.002 5，0.005，0.01，0.015，0.025 g 90 nm二硫化钨和100 nm二硫化钨加入48 g 500 SN基础油中，为了更好地分散材料，再加入2 g甲基萘分别配成质量分数为0.005%，0.01%，0.02%，0.03%和0.05%的90 nm二硫化钨和100 nm二硫化钨油样进行摩擦实验，结果见图1。

a.0.03%二硫化钨油样摩擦系数曲线图(294 N)b.0.03%二硫化钨油样摩擦系数曲线图(490 N)图1 不同载荷下添加90 nm和100 nm二硫化钨油样摩擦系数曲线图Fig.1 Friction coefficient curves of 90 nm and 100 nm tungsten disulfide under different loads

由图1a可知，加入0.03%的90 nm二硫化钨油样与100 nm二硫化钨油样在294 N载荷下摩擦系数整体较低，基本低于0.10，最大值也没有超过0.12，这说明90 nm和100 nm二硫化钨在低载荷工作条件下抗磨性能优异，较基础油有明显提升，并且90 nm二硫化钨油样摩擦系数更低，保持在0.09左右。由图1b可知，在起动的瞬间，100 nm二硫化钨的摩擦系数瞬间达到最大值，高达0.3，可能是摩擦表面油膜破裂，出现严重磨损，经过短暂的磨合，摩擦系数又明显降到0.1左右，90 nm二硫化钨油样在启动后10 min也达到了峰值，约0.19。经过短时间磨合后油样中的二硫化钨会迅速修复摩擦表面不平整磨痕，使得摩擦系数迅速下降，基本稳定在0.07～0.08之间，展示出优异的减摩性能。

不同浓度的90 nm和100 nm二硫化钨油样抗磨实验结果见表1、表2。

表1 90 nm二硫化钨在基础油中抗磨性能实验结果Table 1 Experimental results of anti-wear properties of90 nm tungsten disulfide in base oil

表2 100 nm二硫化钨在基础油中抗磨性能实验结果Table 2 Experimental results of anti-wear properties of100 nm tungsten disulfide in base oil

由表1、表2可知，甲基萘作为二硫化钨的分散修饰剂不仅起到分散稳定的作用，而且对减摩效果有着一定的提升。就整个抗磨效果来看，添加90 nm二硫化钨的油样磨斑直径在低浓度下略小于添加100 nm二硫化钨的油样磨斑直径，而在0.03%和0.05%高浓度下表现不如100 nm二硫化钨。整个实验中，加入0.01%的实验组整体减摩效果明显，尤其是90 nm的二硫化钨，在3个实验载荷下的四球抗磨实验时磨斑直径比基础油磨斑直径分别缩小了21.9%，23.9%和35.7%，均达到实验中相应载荷下的最小值，抗磨效果提升十分明显。

2.2 空间结构对二硫化钨摩擦性能的影响

用电子天平分别准确称量 0.002 5，0.005，0.01，0.025 g 90 nm层状二硫化钨和片状二硫化钨加入48 g 500 SN基础油中，为了更好地分散材料，再加入2 g甲基萘，分别配成质量分数为0.005%，0.01%，0.02%和0.05%的层状和片状二硫化钨油样进行摩擦实验，结果见图2。

a.加入0.05%二硫化钨油样在294 N载荷下的摩擦曲线图b.加入0.05%二硫化钨油样在490 N载荷下的摩擦曲线图图2 不同载荷下添加层状和片状二硫化钨油样摩擦系数曲线图Fig.2 Friction coefficient curves of layered and flake tungsten disulfide under different loads

由图2a可知，加入0.05%片状二硫化钨和层状二硫化钨摩擦曲线整体表现平稳，即使摩擦过程中出现部分波动，二硫化钨也能快速发挥减摩修复功能，使摩擦再次趋于平稳。由图2b可知，片状二硫化钨与层状二硫化钨摩擦曲线差异明显，片状二硫化钨油样的润滑油膜在起动瞬间就出现严重磨损，摩擦系数瞬间达到最高值0.4，磨损严重，但当运行平稳后，油样中的二硫化钨会迅速填充到摩擦副表面的破裂处，使得摩擦系数基本降至0.12左右，而层状二硫化钨从启动开始就表现出良好的减摩性能，摩擦系数一直稳定在0.7的较低水平。综上可见，片状二硫化钨油样在启动瞬间容易发生严重磨损，与基础油相似，而层状二硫化钨可以很好解决这一问题，所以层状二硫化钨减摩性能整体优于片状二硫化钨。

表3 片状二硫化钨在基础油中抗磨性能实验结果Table 3 Experimental results of anti-wear properties offlake tungsten disulfide in base oil

表4 层状二硫化钨在基础油中抗磨性能实验结果Table 4 Experimental results of anti-wear properties oflayered tungsten disulfide in base oil

由表3、表4可知，在添加质量分数为0.005%的情况下，片状二硫化钨油样在294 N载荷下的钢球磨斑直径为0.580 mm，较基础油并无太大提升，而层状二硫化钨294 N载荷下的钢球磨斑直径(WSD)为0.543 mm，缩小了10.9%。在添加质量分数为0.01%的情况下，二硫化钨都表现出优异的抗磨性能，尤其是层状二硫化钨，294，392，490 N的钢球磨斑直径分别为0.476，0.525，0.566 mm，在490 N高载荷下提升幅度>35%，抗磨效果提升十分明显。而在加入0.05%二硫化钨后，片状二硫化钨294 N载荷下钢球磨斑直径(WSD)和392 N载荷下钢球磨斑直径(WSD)较基础油来讲有所变大，润滑效果变差，而层状二硫化钨钢球磨斑直径(WSD)分别为0.582，0.588，0.733 mm，减摩提升幅度仅为4.6%，14.8%和16.7%，说明在较高质量分数下二硫化钨的润滑效果不明显，可能与其分散效果有关。

2.3 结构对纳米二硫化钨抗磨减摩性能影响机理

实验结果证明，结构对纳米二硫化钨抗磨减摩性能有着显著的影响。在纳米尺寸上，90 nm的二硫化钨整体润滑效果优于100 nm的二硫化钨，可能是在甲基萘的作用下，90 nm的二硫化钨尺寸更小，在油中的分散度更好，从而更好地发挥抗磨减摩作用。但90 nm二硫化钨由于其表面能更大，容易在高浓度条件下互相吸附团聚[12-14]，导致添加量较大时润滑效果反而不如100 nm的二硫化钨。而层状纳米二硫化钨比片状二硫化钨在摩擦表面间更容易形成有序排列，并凭借其易滑动的少层结构来改善润滑[15-16]，提高油品抗磨减摩性能。

3 结论

(1)甲基萘作为二硫化钨的分散修饰剂不仅起到分散稳定的作用，而且还能一定程度上提升抗磨减摩性能。

(2)在探究结构对纳米二硫化钨抗磨减摩性能影响时发现，90 nm二硫化钨在低浓度下润滑效果优于100 nm二硫化钨，而在高浓度下则100 nm二硫化钨更优。层状二硫化钨抗磨减摩性能要优于片状二硫化钨。

(3)结构对纳米二硫化钨抗磨减摩性能的影响主要是通过影响纳米二硫化钨在油品中的分散度来实现的。解决好纳米二硫化钨在油品中的分散问题将是纳米二硫化钨发展的关键点。