纳米铜添加剂表现出良好的抗磨减摩性能;对于基础润滑油 650SN ,纳米铜添加剂能够使其摩擦系数降低 48%、磨痕 宽度降低 21% ;对于坦克机油 50CC,纳米铜添加剂能够使其摩擦系数降低 40%、磨痕宽度降低 33% ;同时,铜保护膜 修复了磨损表面的微坑和损伤,对摩擦副起到了有效的保护和修复作用. 关键词:纳米铜添加剂;抗磨减摩性能;保护膜 中图分类号: TH117. 3 文献标识码: A 文章编号: 100420595 ( 2007) 0320235206 纳米润滑油添加剂对摩擦副的保护和修复作用 是通过摩擦化学实现的材料减摩 、自强化和自修 复[ 1 ] . 在国外 ,俄罗斯等一些国家将纳米润滑油添 加剂的修复技术已广泛用于舰船 、坦克及装甲车等 动力装置而提高发动机的动力性 ,降低其摩擦磨损 , 延长摩擦副的使用寿命[ 2 ] . 在国内 , 中国科学院兰 州化学物理研究所等研究机构先后对纳米润滑油添 加剂进行了研究和应用 ,并在军事装备和航空航天 等领域取得了良好的效果[ 3～7 ] . 纳米润滑油添加剂的种类主要有纳米层状无机 物 、纳米硼酸盐 、纳米软金属及纳米金属氧化物和氢 氧化物等 ,其中软金属纳米铜添加剂在润滑油中具 有良好的摩擦磨损行为和自修复性能[ 8～11 ] . 鉴 于 此 ,本文考察了纳米铜添加剂在不同润滑油中的抗 磨减摩性能 ,设计对比了不同条件下纳米铜添加剂 对摩擦副的保护和修复性能 ,分析了纳米铜添加剂 的作用机理 ,以期为开发对摩擦副具有良好保护和 修复性能的润滑油添加剂提供实验依据.
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实验部分
采用液相还原法制备纳米铜润滑油添加剂[ 12 ] . 采用 MM2200型环 2块式摩擦磨损试验机进行摩擦 磨损试验 ,环 /块试样采用硬度 210HB的 45#钢 ,载 荷 400 N ,转速 200 r/m in,时间 90 m in,分别选用基 础润滑油 650SN、坦克机油 50CC、柴油机油 15W / 40CD、汽油机油 15W /40SE以及分别添加质量分数 为 0. 1%纳米铜添加剂后油样的摩擦磨损性能 ,通 过传感器及计算机测量试验数据 (采样间隔 10 s) 并计算摩擦系数. 试验结束后 ,利用读数显微镜观察 并测量试块的磨痕宽度. 测试 650SN 和含 0. 1%纳 米铜添加剂 650SN 润滑 1 h后的摩擦磨损性能 、先 在 650SN 润滑条件下进行 1 h后的摩擦磨损试验 , 然后将润滑油换成含 0. 1%纳米铜添加剂的 650SN 再分别进行 2 h和 3 h摩擦磨损试验. 采用 H2800型 透射电子显微镜 ( TEM )对纳米铜添加剂的表面形 貌和电子衍射花样进行分析 ;采用 QUANTA2200型 扫描电子显微镜 ( SEM )和电子能谱 ( EDS)观察磨损 表面形貌并对其元素进行分析 ;采用原子力显微镜 (AFM )对铜保护膜进行分析 ;采用 NANOTEST纳米 压痕仪对磨损表面和保护膜进行力学性能测试.2
结果与讨论
2. 1 纳米铜添加剂的表征 图 1所示为采用液相还原法制备的纳米铜添加 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 50235030) .收稿日期: 2006207217;修回日期: 2006211220 /联系人王晓丽, e2mail: wxli_bh@163. com 作者简介:王晓丽,女, 1966年生,博士,目前主要从事纳米材料以及应用化学研究.
剂的 TEM 形貌像及电子衍射花样. 由图 1 ( a)多晶 电子衍射分析计算结果可知 , 4 个清晰的衍射圆环 由里 向 外 分 别 对 应 面 心 立 方 结 构 铜 的 ( 111 ) 、 (200) 、(220)和 (311) ,说明添加剂为纯净的铜多晶 体. 由图 1 ( b)可知 ,所制备的纳米铜呈球形 、大小均 匀 、粒径约 20 nm且分散性好 ,无团聚. 2. 2 抗磨减摩性能 图 2示出了 4种不同的润滑油中有 、无纳米铜 添加剂时 ,摩擦系数随时间变化的关系曲线. 可以看 出 , 4种润滑油所表现出的摩擦系数有所不同 ,摩擦 一段时间后 ,坦克机油 50CC的摩擦系数最低 ,基础 润滑油 650SN 居中 ,柴油机油 15W /40CD 和汽油机
Fig 3 W ear trace w idth 图 3 4种润滑油润滑下的磨痕宽度 磨性能 )的对比结果. 可以看出 , 4 种润滑油的抗磨 性能由高到低依次为坦克机油 50CC >基础润滑油 650SN > 柴 油 机 油 15W /40CD > 汽 油 机 油 5W / 40SE. 加入纳米铜添加剂后 ,试块的磨痕宽度均有 所降低 ,表明纳米铜添加剂可以显著改善不同润滑 油的抗磨性能 ,尤其是坦克机油 50CC. 2. 3 磨损机理 图 4示出了在 4种润滑油润滑下的磨损表面形 貌 SEM 照片. 可以看出 ,在基础油 650SN 润滑条件 下磨损较为严重 ,磨损表面存在较为严重的擦伤迹 象 ,局部出现较为明显的犁沟 ,说明在摩擦过程中有 较大磨屑进入磨损表面 ,从而出现较为严重的磨粒 磨损 [图 4 ( a) ]. 在含 0. 1%纳米铜添加剂的 650SN 润滑条件下的磨损较轻 ,不存在明显的划痕和擦伤 , 没有严重的磨粒磨损和粘着磨损且磨痕宽度较小 , 说明纳米铜添加剂对磨损表面具有良好的保护作用 [图 4 ( b) ]. 首先在基础油 650SN 润滑下进行 1 h的 磨损 ,然后在含 0. 1%纳米铜添加剂的 650SN 润滑 条件下磨损 2 h[图 4 ( c) ]并同图 4 ( a)相比 ,其磨损 表面变得较为平整 ,磨损表面初始的犁沟及擦伤等 缺陷得到修复. 在基础油 650SN 润滑下进行 1 h磨 损 ,再 在 含 纳 米 铜 添 加 剂 的 650SN 中 进 行 3 h ( b) 650SN w ith n2Cu
( c) 650SN and 650SN w ith n2Cu, 2 h
( d) 650SN and 650SN with n2Cu, 3 h Fig 4 SEM analysis images of different worn surfaces
图 4 不同润滑条件下的磨损表面形貌 SEM照片 的磨损后 ,其磨损表面覆盖一层保护膜 ,磨痕变得平 整光滑 [图 4 ( d) ]. 对图 4 ( b和 c)磨痕处的主要元素进行 EDS线 扫描分析 [图 5 ] ,从扫描曲线的振动峰高可知 ,在磨
痕以外 ,磨损表面除了 Fe和 C元素外基本没有 Cu 元素存在 ,在磨痕处 Fe、C和 Cu元素同时共存 ,且 磨痕表面 Cu元素含量随着纳米铜添加剂的作用时 间延长而增多. 说明纳米铜添加剂在摩擦过程中随 机分布于磨损表面 ,且能够在磨损表面形成一层铜 保护膜 ,隔离了摩擦副表面的直接接触 ,降低了磨 损 ,且对磨损表面起到良好的保护作用. 图 6示出了磨痕表面铜保护膜的 AFM 图像. 与
Fig 6 A FM im age of Cu p ro tecting film
图 6 铜保护膜的A FM图像 图 1 ( b)相比可知 ,纳米铜添加剂沉积于磨损表面并 吸收热量 ,由 20 nm 的几个颗粒逐渐集聚长大成粒 径约 0. 1μm 的小聚集体 ,小聚集体在摩擦过程中 继续吸收热量 ,通过迁徙 、聚集而连接成保护膜. 表 1示出了经纳米压痕仪测量磨痕表面有铜保 护膜和无膜处的微观力学性能结果. 可以看出 ,在相 同载荷条件下 ,有铜保护膜处弹性模量和硬度较低 , 而压痕深度明显大于无保护膜处的压痕深度 ,有铜 保护膜处的压痕深度 ( 1 052. 66 nm )较无保护膜处 的压痕 (938. 32 nm )深约 10. 8% ,说明在摩擦过程 中所形成的铜保护膜是 1种低剪切强度的软膜 ,可 以使纳米铜添加剂在润滑油中表现出良好的抗磨减 摩性能. 综上所述 ,纳米铜添加剂由于具有较大的比表 面积 、表面原子数和表面能 ,从而具有较高的活性. 另外 ,在摩擦过程中 ,由于结构和物理性能的变化而 处于活化状态 ,当具有高活性纳米铜添加剂遇到活 化状态的磨损表面时纳米铜添加剂容易吸附于摩擦 表面[ 1, 13, 14 ] . 高活性纳米铜添加剂具有极高的扩散 和渗透能力 ,在摩擦过程中 ,纳米铜添加剂通过吸 表1 纳米压痕测试结果
Table 1 Test results of nano2inden ta tion
Test p lace Loading /mN Press dep th / nm Elastic ratio / GPa Hardness/ GPa No Cu repairing film 200 938. 32 217. 30 13. 09 Has Cu repairing film 200 1052. 66 166. 04 9. 58
附 、扩散及渗透等作用沉积在磨损表面的微突起处 , 或填充在磨损表面的微坑和损伤部位而起到有效保 护作用. 另外 ,摩擦过程中产生的摩擦力大部分转化 为热能 ,纳米铜添加剂吸收热量而聚集成小团体 ,具 有一定能量的小团体经过迁徙 、聚集而连接成保护 膜 ,该保护膜是 1种低硬度的软膜 ,可以降低磨损表 面的剪切应力 ,使磨损表面的摩擦系数降低 ,磨损量 减小 ,而且能够减小高载时的粘着磨损和磨粒磨损 , 使纳米铜添加剂表现出良好的抗磨减摩性能 ,对摩 擦副起到较好的保护作用.
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结论
a. 纳米铜添加剂能够改善不同种类润滑油的 抗磨减摩性能 ,使基础油 650SN 的摩擦系数降低参考文献 :
[ 1 ] 徐滨士.纳米表面工程[M ].北京:化学工业出版社, 2004. [ 2 ] 徐滨士.再制造工程与纳米表面工程[ C ].北京:中俄工程科技
研讨会, 2005. 2052217.
Xu B S. Remanufacture engineering and nano2surface engineering [ C ]. Beijing: China and Russia Engineering Scientific and Tech2 nical Workshop , 2005, 5: 2052217.
[ 3 ] W ang X B , L iu W M , Yan F Y, et a l. Synthesis of dialkyl dithio2 phosphate surface2capped copper nanocluster[ J ]. Chem istry Let2 ters, 2004, ( 2) : 1962197.
[ 4 ] 董凌,陈国需,方建华,等.纳米微胶囊铜的摩擦学性能研究
[ J ].合成润滑材料, 2004, 31 ( 2) : 123.
Dong L , Chen G X, Fang J H , et a l. Tribological p roperties re2 search of nanometer m icrocap sule copper [ J ]. Synthetic Lubri2 cants, 2004, 31 ( 2) : 123.
[ 5 ] 徐滨士,张伟,刘世参,等.现代装备智能自修复技术[ J ].中国 表面工程, 2004, 17 ( 1) : 124.
Xu B S, ZhangW , L iu S C, et a l. Smart self2repairing technology for modern equipment[ J ]. China Surface Engineering, 2004, 17 ( 1) : 124.
[ 9 ] Tarasov S, Kolubaev A , Belyaev S. Study of friction reduction by nanocopper additives to motor oil[ J ]. W ear, 2002, 252: 63269. [ 10 ] 李斌,夏延秋,王晓波,等.纳米Cu在聚乙烯二醇溶液中的摩
擦磨损性能研究[ J ].摩擦学学报, 2005, 25 ( 5) : 3852389. L i B , Xia Y Q , W ang X B , et a l. Investigation of tribological p roperties of nano2Cu as additives in PEG2400 [ J ]. Tribology, 2005, 25 ( 5) : 3852389.
[ 11 ] 于鹤龙.表面修饰纳米铜颗粒的制备及其作为润滑油添加剂
的摩擦学性能研究[ D ].北京:装甲兵工程学院硕士学位论
文, 2006.
Yu H L. Preparation and tribological performance of surface mod2 ified Cu nanoparticles[ D ]. Beijing: Academy of A rmored Forces Engineering, 2006.
[ 12 ] W ang X L , Xu B S, Xu Yi, et a l. Preparation of nano2copper as lubrication oil additive [ J ]. Journal of Central South U niversity of Technology, 2005, 12 ( Supp l 2) : 2 032206.
[ 13 ] 温诗铸,黄平.摩擦学原理[ M ].北京: 清 华大学 出版社, 2002.
Study on Fr iction and W ear Behav ior and M echan ism of
Nano
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Cu Add itive in L ubr ica tion O ils
WANG X iao2li, XU B in2shi, XU Yi, SH I Pei2jing, YU He2long
(N a tiona l Key L abora tory for R em anufactu ring, A cadem y of Am ored Forces Eng ineering, B eijing 100072, Ch ina)
Abstract: Protecting behavior of nano2Cu additive with 20 nm was investigated by four kinds of experiments. Anti2
wear and an tifriction behavior of nano2Cu additive in different lubrication oilswere tested. The action mechanism of nano2Cu additive was discussed. The results indicated that nano2Cu additive could form p rotecting film on worn sur2 face by frictional wear. The p ro tecting film was composed of sm all Cu islands w ith 0. 1μm Cu particle size, which has low shearing strength. The p ro tecting film could reduce adhesive wear and abrasive wear. N ano2Cu additive in lubrication oil exhibited wonderful resistance to wear and friction, comparing w ith base lubrication o il 650SN and tank lubrication o il 50CC, the friction coefficien t can be reduced by 48% and 40% respectively, the wear trace w idth can be decreased by 21% and 33% respectively. The p ro tecting film could repair the tiny ho le and dam age,
so nano2Cu additive in lubrication oil exhibited good p rotection and repairing behavior.
Key words: nano2Cu additive, antiwear and antifriction behavior, p rotecting film Author: WAN G Xiao2li, female, born in 1966, Ph. D. , e2mail: wxli_bh@163. com
