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納米潤滑
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一 基本知識介紹 納米潤滑是在原子、分子尺度研究相對轉(zhuǎn)動界面上的摩擦磨損與潤滑行為，而揭示微觀摩擦磨損機(jī)理，設(shè)計與制備出納米尺度上的潤滑劑及摩耐磨材料的學(xué)科。它是隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展而派出來的，是90年代以來摩擦學(xué)研究領(lǐng)域最活躍的，也是材料科學(xué)與摩擦學(xué)交叉領(lǐng)域最前沿的內(nèi)容。它產(chǎn)生的推動力來源于高技術(shù)發(fā)展的需求，同時近代測試技術(shù)的不斷出現(xiàn)也推動了納米摩擦學(xué)的發(fā)展。高技術(shù)中的諸多摩擦學(xué)問題都對其抗磨、防擦及潤滑提出更高的要求【1】。但是無機(jī)納米粒子油溶性差, 一般是靠分散劑的作用或借助強(qiáng)力攪拌、超聲分散將納米粒子分散在基礎(chǔ)油中。但是由于納米粒子粒度小, 表面能高, 粒子之間容易發(fā)生團(tuán)聚, 納米材料在潤滑油中的分散和穩(wěn)定成為限制其在潤滑油添加劑中應(yīng)用的主要問題之一【2】。選擇表面修飾劑不僅要考慮其油溶分散性、穩(wěn)定性, 還要考慮表面活性劑解吸后在油中要有良好的摩擦學(xué)性能。目前采用的表面修飾劑主要有: 二烷基二硫代磷酸(DDP)、烷基磷酸醋、硬脂酸、油酸、EHA、含N 有機(jī)化合物等【3】。 二 納米潤滑添加劑的研究進(jìn)展 同常規(guī)材料相比，納米材料是一種低維材料。由于材料的超細(xì)化，其表面層原子占有很大的比重，所以納米材料實際上是晶粒中原子的長程有序排列與無序界面成分的組合。將納米材料應(yīng)用于潤滑體系，是一個全新的研究領(lǐng)域。目前，被用作潤滑油添加劑加以研究的納米微粒主要有納米單質(zhì)、納米氧化物、納米氫氧化物、納米硫化物、納米稀土化合物以及聚合物納米微粒等。其中低熔點金屬，例如錫、銦、鉍及其合金等，是常用的膜潤滑材料和防護(hù)材料。這類金屬的納米微粒作為潤滑油添加劑有望顯著改善潤滑油的摩擦學(xué)性能。鉍納米微粒添加劑的研究表明，鉍是“環(huán)境友好”的、與S、P、Cl 等元素有良好協(xié)同性的、唯一可以取代鉛的重金屬元素。但是，目前這類金屬的納米微粒通常是由化學(xué)法來制備的。例如錫和銦納米微粒常常通過相應(yīng)的金屬有機(jī)化合物熱分解來制備，鉍納米微粒是還原法來合成的，這些方法僅適宜于實驗室研究。對于這類金屬及其合金納米微粒，可以采用直接分散的方法進(jìn)行制備。這種方法的特點是使用單一的試劑（金屬單質(zhì)或合金），并且金屬單質(zhì)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其相應(yīng)的金屬鹽、金屬有機(jī)化合物, 因此這種方法有獲得工業(yè)化的可能【4】。 三 可行性和現(xiàn)實意義 錫、銦、鉍及其合金的熔點都低于300℃，許多有機(jī)溶劑的沸點都高于這一溫度，并能長時間保持穩(wěn)定，因此便于找到合適的反應(yīng)介質(zhì)。直接分散法制備錫、銦和鉍納米微粒及其摩擦學(xué)性能納米微粒由于具有特殊的物理化學(xué)性能和較小的粒子尺寸在摩擦領(lǐng)域中倍受關(guān)注, 而將納米微粒用作潤滑油添加劑是近年來潤滑領(lǐng)域中的一個研究熱點【5】。研究表明納米微粒由于自身組成和結(jié)構(gòu)上的特點，具有不同于傳統(tǒng)有機(jī)潤滑添加劑的潤滑特性。具體表現(xiàn)在以下三個方面：（1）納米微粒多為球形，它們在摩擦對偶面間可能起一種類似“球軸承”的作用，從而有效提高潤滑油的摩擦學(xué)性能；（2）在重載荷和高溫下，摩擦對偶面間的納米微粒可能被壓平，形成一滑動系，從而降低摩擦和磨損；(3) 納米微粒可以填充在工件表面的微坑和損傷部位，有可能實現(xiàn)摩擦表面的原位修復(fù)。金屬納米微粒潤滑劑兼有納米微粒上述三種機(jī)制的聯(lián)合作用，被認(rèn)為最有可能成為新一代的潤滑添加劑【6】。 四 舉例---錫納米微粒潤滑劑的制備和表征及其摩擦學(xué)性能  錫納米微粒的形成機(jī)理分析： 根據(jù)以上的分析，可以看出錫納米微粒形成過程主要涉及到以下幾個方面：錫液滴在剪切力作用下的分散和再分散、錫液滴表面的氧化鈍化以及液滴表面吸附溶劑分子等。錫納米微�？赡苁峭ㄟ^以下的機(jī)制形成的：首先較大的金屬液滴在剪切力的作用下被分散成較小的滴，這是一個動力學(xué)不穩(wěn)定過程。在這個分散過程中體系總的界面能是增加的，這些小液滴傾向于團(tuán)聚成大的液滴以降低體系總的表面能，所以單一的剪切作用并不能完成金屬液滴的超細(xì)化。另一方面，金屬液滴的新生表面具有很高的活性，易與介質(zhì)中的氧發(fā)生反應(yīng)形成氧化物殼層。一旦液滴表面形成了氧化物殼層，氧化物殼層將有效地阻止液滴間的熔合；同時，氧化物層能夠有效地吸附溶劑分子，在液滴表面形成有機(jī)分子包覆層，這個有機(jī)包覆層將大大提高金屬液滴在溶劑中的穩(wěn)定性。其次，在氧化物層的存在下，金屬液滴被進(jìn)一步分散成更小的液滴，最終形成納米量級的金屬液滴。最后，通過降低體系的溫度，這些小液滴就轉(zhuǎn)變成金屬納米微粒。   錫納米微粒的摩擦學(xué)性能   以上給出了摩擦系數(shù)與添加濃度的關(guān)系曲線, 固定載荷300 N。一般認(rèn)為納米微粒的添加對系統(tǒng)減摩性能產(chǎn)生兩種相反的效應(yīng): 一方面, 納米微粒在摩擦表面能夠有效的滾動從而降低摩擦系數(shù); 另一方面納米微粒的加入破壞了摩擦表面潤滑油膜的完整性, 引起油膜局部擾動, 使摩擦系數(shù)增大。納米微粒的減摩效果主要取決于這兩種效應(yīng)的加和, 當(dāng)滾動效果占優(yōu)勢時, 表現(xiàn)為摩擦系數(shù)減小, 否則, 摩擦系數(shù)增大。從圖上可以看出, 摩擦系數(shù)對添加濃度的變化非常敏感。在錫納米微粒添加量為0.25%-1%時, 納米微粒呈現(xiàn)出良好的減摩性能。 減摩抗磨機(jī)理分析【7-8】： 其作用機(jī)理可歸納如下: ①納米微粒大多為球狀, 能起到類似“球軸承”的作用, 從而提高潤滑性能; ②在重載或高溫條件下, 兩摩擦表面間的球形顆粒壓扁, 形成金屬- 金屬滑動系, 從而具有優(yōu)異的極壓和抗磨性能; ③納米微�？梢蕴畛淠Σ帘砻娴奈⒖雍蛽p傷部位, 起到自修復(fù)作用; ④滲透和摩擦化學(xué)反應(yīng)膜機(jī)制, 納米顆粒吸附摩擦表面形成物理吸附膜, 在摩擦過程中通過擴(kuò)散、滲透作用在金屬表面形成具有良好摩擦學(xué)性能的滲透層和擴(kuò)散層, 納米微粒中元素滲透到金屬表面或亞表面與基體組分形成固溶體, 同時納米微粒也可以在摩擦表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。生成耐磨的化學(xué)反應(yīng)膜; ⑤超光滑表面作用機(jī)制, 硬制納米微粒添加到潤滑油中的作磨光材料的精密拋光; ⑥復(fù)合納米添加劑協(xié)同作用。  前瞻：這不僅是一種簡單使用的方法，而且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這還是一種普適的方法對于錫、銦、鉍及其合金都可用這種方法，如有興趣有興趣參看文獻(xiàn)【9-11】. 參考文獻(xiàn) 【1】J. X. Dong, Z. S. Hu, Tribol. Int., 1998, 31(5), 219. 【2】Z. S. Hu, J. X. Dong, Wear, 1998, 216, 87. 【3】Z. S. Hu, J. X. Dong, G. X. Chen, Tribol. Int., 1998, 31(7), 355. 【4】Qunji Xue, Weimin Liu, Zhijun Zhang, Wear, 1997, 213(1-2), 29. 【5】Zefu Zhang, Weimin Liu, Qunji Xue, Wear, 2001, 248, 48. 【6】Weimin Liu, Shuang Chen, Wear, 2000, 238(2), 120. 【7】Z. J. Zhang, J. Zhang, Q. J. Xue, J. Phys. Chem., 1994, 98, 12973 【8】S. Q. Qiu, Z. R. Zhou, J. X. Dong, et al., J. Tribol., 2001, 123, 441. 【9】Zhao, Y., Zhang, Z., Liu, W., Dang, H., and Xue, Q .J. Am. Chem. Soc., 2004，126, 6854 【10】Yanbao Zhao, Zhijun Zhang and Hongxin Dang. J. Mater. Chem., 2004, 14, 299 【11】Zhao, Y. B., Zhang, Z. J. and Dang, H. X., J Phys Chem B, 2003, 107, 7574. 推薦書籍：  出版商：John Wiley & Sons, Ltd，2008 附錄： 納米潤滑個人世界排名（來源于ISI，根據(jù)發(fā)文量和引用量綜合考慮）：  以下僅介紹認(rèn)識的幾位： 第一名:TENNE，無機(jī)富勒烯老大 以色列Weizmann大學(xué)教授 第四名：劉維民，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員，固體潤滑國家重點實驗室主任 第五名：薛群基，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員，中國工程院院士 第七名: 張治軍，河南大學(xué)教授,特種功能材料省部共建重點實驗室主任 第十名:雒建斌, 清華大學(xué)教授摩擦學(xué)國家重點實驗室主任 ,長江學(xué)者特聘教授 提到摩擦學(xué)，我們不能忘記黨鴻辛先生（1929~2005）為我國摩擦學(xué)發(fā)展所立下的汗馬功勞！ 1929年生于廣西北流縣。摩擦學(xué)專家，1997年當(dāng)選為中科院院士。1953年8月畢業(yè)于華南工學(xué)院化學(xué)工程系。曾為摩擦學(xué)會名譽理事長，固體潤滑國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會名譽主任，河南大學(xué)特種功能材料重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任，《摩擦學(xué)學(xué)報》 名譽主編。是蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料學(xué)科創(chuàng)建人之一。在研究工作中有豐富的積累，為國家高新技術(shù)所需特種潤滑材料的應(yīng)用研究作出了重大貢獻(xiàn)。在他所從事的研究工作中有9項獲國家級獎勵，包括“固體潤滑的研究”獲國家自然科學(xué)獎三等獎；“齒輪潤滑成膜膏的研制和推廣”獲得國家科技進(jìn)步獎三等獎；“超低溫高速齒輪潤滑材料”獲得國家發(fā)明獎三等獎；“MFC-1型白色潤滑成膜膏”獲國家發(fā)明獎三等獎等，以及獲中科院科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎“渦輪渦桿用特種潤滑材料”等院、省、部級的獎勵15項。他在潤滑油脂、特種潤滑涂層材料、航空航天潤滑與防護(hù)材料、高分子復(fù)合材料等方面有很高的研究技術(shù)水平 ，在國內(nèi)外知名度較高。在國內(nèi)外科技期刊上發(fā)表論文報告190余篇，獲得中國發(fā)明專利5件。 [ Last edited by zhangwj on 2011-9-24 at 16:27 ] |
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40樓2009-03-12 12:57:54
temedx
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