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摘要 简述了应用于润滑领域的纳米材料——纳米润滑添加剂的种类及其减摩抗磨机理，介绍了目前人们研究较多的纳米润滑添加剂的减摩抗磨性能和它们在汽车工业中节约能源和减少尾气排放方面的应用。
关键词 纳米材料；润滑；应用
1、 前言
润滑油是机械运行和维护不可缺少的组成部分。随着现代机械设备的载荷、速度、温度等工作参数的日益提高，润滑油中原有的减摩剂和抗磨剂已不能完全满足其减摩抗磨性能要求。20世纪90年代以来，随着人们对纳米材料和技术的深入研究，发现由于某些纳米材料的独特结构使其具有特殊的摩擦学性能，以这些纳米粒子制成的纳米润滑添加剂可使润滑油的减摩抗磨性能得到大幅度提高，为润滑领域中长期未能解决的难题开辟了新的解决途径。本文就目前人们研究较多的用于润滑油添加剂的纳米材料及其减摩抗磨机理，以及纳米润滑添加剂在汽车工业中对节约能源和减少尾气排放等方面的应用现状进行了探讨与分析。
2、 纳米润滑添加剂的种类及减摩抗磨机理
2．1、 纳米润滑添加剂的种类
人们对很多纳米材料的摩擦学性能进行了考察，发现它们均具有一定的减摩抗磨性能。表1列出了具有较好减摩抗磨性能的纳米润滑添加剂材料。不过，由于某些纳米材料制备较困难，在润滑油中的分散稳定性问题难以解决，加上环保等问题，使得能大量应用于实际的纳米润滑添加剂很少。
2．2 、纳米润滑添加剂的减摩抗磨机理
大量的实验表明，纳米润滑添加剂可大幅度提高润滑油的减摩抗磨性能，但由于摩擦过程是一个十分复杂的过程，其中涉及到摩擦副与润滑油、添加剂以及分散剂之间的相互作用，而且摩擦过程中的载荷和温度也频繁地发生变化，使得人们对纳米润滑添加剂的减摩抗磨机理还不是十分清楚，目前人们的解释大多是推测，还缺少有力的实验证据，归纳起来大致有以下几点：
（1）“滚珠轴承效应”：用于润滑的纳米粒子，其形状多呈近球形，处于两摩擦副之间的纳米粒子在摩擦副间作相对运动时容易滚动，这样在微观上就将滑动摩擦变为滚动摩擦，从而大幅度降低了摩擦系数，减小磨损。
（2）“小尺寸效应”：纳米粒子由于尺寸极小，比表面积很大，易于吸附在摩擦副表面的凹痕处，起到修复平滑作用，从而减少摩擦；另一方面，材料的强度和硬度都随其晶粒尺寸的减小而提高，纳米材料由于具有很小的晶粒结构，其硬度较相应的块状材料高，所以具有较高的承载能力。
（3）“高活性效应”：纳米粒子的熔点较常规粗晶粒的低，且其表面上的原子具有很高的活性，在载荷和摩擦场作用下，纳米粒子容易与摩擦副反应生成一层高硬度、低摩擦系数的反应膜，从而提高润滑油的极压性能。
3、 纳米材料在润滑领域中的应用
3．1、纳米润滑添加剂的减摩抗磨性能
纳米润滑添加剂是以一定的比例加入到润滑油中，以使润滑油中含有一定量的纳米粒子。实验表明：纳米润滑添加剂可有效地提高润滑油的最大无卡咬负荷（PB值）、烧结负荷（PD值），降低从低载荷到高载荷全范围的长时磨损值，表现出优异的减摩抗磨性能。当然，并不是纳米粒子含量越多越好，而是有一个最佳含量，对不同的纳米粒子，其最佳含量值也不同。
俄罗斯的S.Tarasov等人[1]采用爆炸丝法（eletric explosion of metallic wire 即“EEW”法）制备了纳米铜粒子，并将其以0.3%(wt%)比例加入到SAE30润滑油中，通过磨擦实验发现，在其所用的实验设备上，润滑油的承载能力均有不同程度的提高，摩擦副的磨损量均有不同程度的降低；在最佳状态下，润滑油的承载能力由792N提高到1452N，磨损量由5.8mg降低到1.7mg。国内也有研究者[2]对纳米铜粒子的摩擦学性能进行了研究，他们将平均粒径为50nm的铜粒子以0.5%(wt%)的比例加入到40#汽油机油中，在M200型磨损试验机上进行摩擦学性能实验，实验条件为转速为400r/min，压力为500N，润滑速度为每分钟2滴。实验测得的最大最小摩擦系数和磨痕宽度如表2所示。从表2可以看出，在相同条件下，基础油在添加纳米铜粒子后，磨痕宽度显著减小，在基础油中同时添加纳米铜粒子和分散剂后，磨痕宽度较只添加纳米铜粒子的磨痕宽度还减少19.8%，这说明分散剂能使纳米铜粒子均匀分散于润滑油中，而且确保铜纳米粒子在摩擦过程中也不团聚，从而表现出良好的摩擦学性能。至于摩擦系数，在没有分散剂时，由于铜粒子在基础油中分散不均匀，且有团聚，破坏了基础油的油性，因此其最大最小摩擦系数均较基础油略有增加；而添加分散剂后，分散剂分子吸附在铜粒子表面，形成包覆层，有利于铜粒子分散，并均匀地悬浮在基础油中，从而使基础油的油性得到改善，摩擦系数明显减少，这也说明纳米润滑添加剂应用中的一个关键问题是要对纳米材料进行适当的表面处理（表面包覆），以保证纳米材料在润滑油中仍是纳米级颗粒并均匀地分散，只有这样才能发挥纳米材料的润滑特性，从而增强润滑油的性能。
此外，柳学全等人制备的FN纳米陶瓷颗粒、赵彦保等人[3]采用原位种子聚合方法制备的油酸/PS/TiO2复合纳米微球以及张家玺等人[4]采用爆炸法合成的纳米金刚石颗粒，试验表明：它们都能显著提高基础油的失效载荷，降低从低载荷到高载荷全范围的长时磨损值，表现出优异的减摩抗磨性能。
3．2、纳米润滑添加剂在汽车节约能源方面的应用
世界上每年消耗在摩擦、磨损上的能源是十分惊人的，据科学家的推算，大致占世界生产总能源的1/3～1/2。内燃机是现代工业的主要动力来源，同时也是主要的能源消耗者。对于汽油机约有7%的燃料能量消耗在摩擦损失上，其中活塞环与缸套间的损失约占3%；柴油机有10%左右的燃料消耗在摩擦损失上。发动机的全部摩擦损失是机械有效功率的30%左右[5]。因此改善摩擦副的润滑状态，减小摩擦损失对提高发动机的燃料经济性至关重要。这也为纳米润滑添加剂提供了一个很大的市场空间，目前市场上也有一些纳米润滑添加剂产品，大多数也以节省燃油消耗为卖点。如钢铁研究总院研制生产的“驰畅”牌纳米润滑油添加剂，在北京市公交总公司大型客车上进行了为期8个月的跟踪试验，结果表明：在初始条件完全相同的条件下，使用该添加剂的车辆和未使用的车辆相比：百公里油耗降低5.1%～6.5%，尾气烟度值平均下降21.8%。行驶4.8万km后，对其中一辆使用该添加剂车辆的发动机进行解剖，发现其中的主要部件基本没有磨损（即配合间隙均在出厂范围之内）。另有资料报道[5]青岛开发区公交总公司在5辆大型公交车上试用了纳米润滑剂，在汽车均未作任何调整的同等条件下，经严格的测试，其中一辆柴油大客车百公里油耗由原来的15L降到12.14L，耗油量下降19%，5辆车平均节油16.2%，且运行状况明显改善，消除了机械噪声，润滑油节省50%，尾气排放也大大下降，经济效益明显。正如前面所述，纳米润滑添加剂具有优异的减摩抗磨性能，而且目前市场上已有的一些商品也表现出良好的经济效益。随着人们对纳米材料的深入研究，纳米润滑添加剂产品的质量将进一步稳定，其性能将进一步提高，当纳米润滑添加剂逐渐在汽车和其它设备润滑中推广应用后，必将为节约能源做出巨大贡献。
3．3、纳米润滑添加剂在改善汽车尾气排放方面的应用
近几十年来，随着工业的发展和能源消耗的日益增加，由于燃烧过程产生的有害物质对大气产生了严重的污染。特别是石油燃料的大量消耗所引起的不利结果，在工业与交通集中的地区表现最为突出，并引起人们的普遍关注。
汽车是当今最大的大气污染源，这已被许多国家的调查所证实。现在，世界上约有两亿辆汽车，其中大部分在城市中行驶。这些汽车每年都排放出大量的一氧化碳、碳氢化合物和一氧化氮等有害气体，而且随着汽车数量的逐年增加，汽车排放到大气中的有害物质还会随之增加。而应用纳米润滑添加剂后对汽车尾气的排放有明显的改善作用。如前面提到的“驰畅”牌纳米润滑剂，不但节省燃油，而且也大大降低尾气的排放。该添加剂在交通部汽车运输行业能源利用监测中心进行的发动机台架检验结果也表明，加有该添加剂的发动机怠速排放污染物CO的净化率为19.9%，HC化合物的净化率为15.1%。纳米润滑添加剂之所以能降低尾气的排放，笔者认为主要是其具有修复平滑发动机的作用。汽油机排放的污染物主要是由排气管排放出来的，除了尾气排放外，曲轴箱窜气也是汽油机排放的一个主要来源，而曲轴箱窜气量的大小与发动机磨损的情况有密切关系，如图1所示。
可以看出发动机磨损大时，曲轴箱的窜气量明显增大，从而汽车的排放物增多，由于纳米添加剂的表面活性较高，易于吸附在发动机磨损的凹痕处，起到修复平滑和密封的作用，改善了曲轴箱窜气现象，使得汽车尾气的排放减少。
4、结论
纳米材料独特的结构，奇异的性能，使其具有奇特的摩擦学性能，以这些纳米粒子制成的纳米润滑添加剂可使润滑油的减摩抗磨性能得到大幅度提高，同时其在节约能源和改善尾气排放等方面的效果也十分突出。随着人们对纳米材料及润滑机理的深入研究，可以预期这类产品将为解决润滑领域中长期未能解决的难题开辟一条新途径，必将在减少磨损、节约能源和环境保护方面发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1]S.Tarasov.A.kolubaev et al.Study of friction reduction by nanocopper additives to motor oil.Wear 252(2002): 63~69
[2]于立岩，崔作林．纳米铜粒子对润滑油摩擦磨损性能的影响．青岛化工学院学报，2002，23（3）：33～35
[3]赵彦保，周静芳等．油酸／PS/TiO2复合纳米微球液体石蜡抗磨性能的影响研究．摩擦学学报，2001,21(1):73～75
[4]张家玺，刘琨等．纳米金刚石颗粒对发动机润滑油摩擦学特性的影响．摩擦学学报，2002,22,(1):44～47
[5]吕兆歧，谢泉主编．润滑油品研究与应用指南．北京 中国石化出版社，1997:2
[6]李洪智，付百学等．纳米技术在汽车上的应用．汽车工艺与材料，2001,6:19～43
关键词 纳米材料；润滑；应用
1、 前言
润滑油是机械运行和维护不可缺少的组成部分。随着现代机械设备的载荷、速度、温度等工作参数的日益提高，润滑油中原有的减摩剂和抗磨剂已不能完全满足其减摩抗磨性能要求。20世纪90年代以来，随着人们对纳米材料和技术的深入研究，发现由于某些纳米材料的独特结构使其具有特殊的摩擦学性能，以这些纳米粒子制成的纳米润滑添加剂可使润滑油的减摩抗磨性能得到大幅度提高，为润滑领域中长期未能解决的难题开辟了新的解决途径。本文就目前人们研究较多的用于润滑油添加剂的纳米材料及其减摩抗磨机理，以及纳米润滑添加剂在汽车工业中对节约能源和减少尾气排放等方面的应用现状进行了探讨与分析。
2、 纳米润滑添加剂的种类及减摩抗磨机理
2．1、 纳米润滑添加剂的种类
人们对很多纳米材料的摩擦学性能进行了考察，发现它们均具有一定的减摩抗磨性能。表1列出了具有较好减摩抗磨性能的纳米润滑添加剂材料。不过，由于某些纳米材料制备较困难，在润滑油中的分散稳定性问题难以解决，加上环保等问题，使得能大量应用于实际的纳米润滑添加剂很少。
2．2 、纳米润滑添加剂的减摩抗磨机理
大量的实验表明，纳米润滑添加剂可大幅度提高润滑油的减摩抗磨性能，但由于摩擦过程是一个十分复杂的过程，其中涉及到摩擦副与润滑油、添加剂以及分散剂之间的相互作用，而且摩擦过程中的载荷和温度也频繁地发生变化，使得人们对纳米润滑添加剂的减摩抗磨机理还不是十分清楚，目前人们的解释大多是推测，还缺少有力的实验证据，归纳起来大致有以下几点：
（1）“滚珠轴承效应”：用于润滑的纳米粒子，其形状多呈近球形，处于两摩擦副之间的纳米粒子在摩擦副间作相对运动时容易滚动，这样在微观上就将滑动摩擦变为滚动摩擦，从而大幅度降低了摩擦系数，减小磨损。
（2）“小尺寸效应”：纳米粒子由于尺寸极小，比表面积很大，易于吸附在摩擦副表面的凹痕处，起到修复平滑作用，从而减少摩擦；另一方面，材料的强度和硬度都随其晶粒尺寸的减小而提高，纳米材料由于具有很小的晶粒结构，其硬度较相应的块状材料高，所以具有较高的承载能力。
（3）“高活性效应”：纳米粒子的熔点较常规粗晶粒的低，且其表面上的原子具有很高的活性，在载荷和摩擦场作用下，纳米粒子容易与摩擦副反应生成一层高硬度、低摩擦系数的反应膜，从而提高润滑油的极压性能。
3、 纳米材料在润滑领域中的应用
3．1、纳米润滑添加剂的减摩抗磨性能
纳米润滑添加剂是以一定的比例加入到润滑油中，以使润滑油中含有一定量的纳米粒子。实验表明：纳米润滑添加剂可有效地提高润滑油的最大无卡咬负荷（PB值）、烧结负荷（PD值），降低从低载荷到高载荷全范围的长时磨损值，表现出优异的减摩抗磨性能。当然，并不是纳米粒子含量越多越好，而是有一个最佳含量，对不同的纳米粒子，其最佳含量值也不同。
俄罗斯的S.Tarasov等人[1]采用爆炸丝法（eletric explosion of metallic wire 即“EEW”法）制备了纳米铜粒子，并将其以0.3%(wt%)比例加入到SAE30润滑油中，通过磨擦实验发现，在其所用的实验设备上，润滑油的承载能力均有不同程度的提高，摩擦副的磨损量均有不同程度的降低；在最佳状态下，润滑油的承载能力由792N提高到1452N，磨损量由5.8mg降低到1.7mg。国内也有研究者[2]对纳米铜粒子的摩擦学性能进行了研究，他们将平均粒径为50nm的铜粒子以0.5%(wt%)的比例加入到40#汽油机油中，在M200型磨损试验机上进行摩擦学性能实验，实验条件为转速为400r/min，压力为500N，润滑速度为每分钟2滴。实验测得的最大最小摩擦系数和磨痕宽度如表2所示。从表2可以看出，在相同条件下，基础油在添加纳米铜粒子后，磨痕宽度显著减小，在基础油中同时添加纳米铜粒子和分散剂后，磨痕宽度较只添加纳米铜粒子的磨痕宽度还减少19.8%，这说明分散剂能使纳米铜粒子均匀分散于润滑油中，而且确保铜纳米粒子在摩擦过程中也不团聚，从而表现出良好的摩擦学性能。至于摩擦系数，在没有分散剂时，由于铜粒子在基础油中分散不均匀，且有团聚，破坏了基础油的油性，因此其最大最小摩擦系数均较基础油略有增加；而添加分散剂后，分散剂分子吸附在铜粒子表面，形成包覆层，有利于铜粒子分散，并均匀地悬浮在基础油中，从而使基础油的油性得到改善，摩擦系数明显减少，这也说明纳米润滑添加剂应用中的一个关键问题是要对纳米材料进行适当的表面处理（表面包覆），以保证纳米材料在润滑油中仍是纳米级颗粒并均匀地分散，只有这样才能发挥纳米材料的润滑特性，从而增强润滑油的性能。
此外，柳学全等人制备的FN纳米陶瓷颗粒、赵彦保等人[3]采用原位种子聚合方法制备的油酸/PS/TiO2复合纳米微球以及张家玺等人[4]采用爆炸法合成的纳米金刚石颗粒，试验表明：它们都能显著提高基础油的失效载荷，降低从低载荷到高载荷全范围的长时磨损值，表现出优异的减摩抗磨性能。
3．2、纳米润滑添加剂在汽车节约能源方面的应用
世界上每年消耗在摩擦、磨损上的能源是十分惊人的，据科学家的推算，大致占世界生产总能源的1/3～1/2。内燃机是现代工业的主要动力来源，同时也是主要的能源消耗者。对于汽油机约有7%的燃料能量消耗在摩擦损失上，其中活塞环与缸套间的损失约占3%；柴油机有10%左右的燃料消耗在摩擦损失上。发动机的全部摩擦损失是机械有效功率的30%左右[5]。因此改善摩擦副的润滑状态，减小摩擦损失对提高发动机的燃料经济性至关重要。这也为纳米润滑添加剂提供了一个很大的市场空间，目前市场上也有一些纳米润滑添加剂产品，大多数也以节省燃油消耗为卖点。如钢铁研究总院研制生产的“驰畅”牌纳米润滑油添加剂，在北京市公交总公司大型客车上进行了为期8个月的跟踪试验，结果表明：在初始条件完全相同的条件下，使用该添加剂的车辆和未使用的车辆相比：百公里油耗降低5.1%～6.5%，尾气烟度值平均下降21.8%。行驶4.8万km后，对其中一辆使用该添加剂车辆的发动机进行解剖，发现其中的主要部件基本没有磨损（即配合间隙均在出厂范围之内）。另有资料报道[5]青岛开发区公交总公司在5辆大型公交车上试用了纳米润滑剂，在汽车均未作任何调整的同等条件下，经严格的测试，其中一辆柴油大客车百公里油耗由原来的15L降到12.14L，耗油量下降19%，5辆车平均节油16.2%，且运行状况明显改善，消除了机械噪声，润滑油节省50%，尾气排放也大大下降，经济效益明显。正如前面所述，纳米润滑添加剂具有优异的减摩抗磨性能，而且目前市场上已有的一些商品也表现出良好的经济效益。随着人们对纳米材料的深入研究，纳米润滑添加剂产品的质量将进一步稳定，其性能将进一步提高，当纳米润滑添加剂逐渐在汽车和其它设备润滑中推广应用后，必将为节约能源做出巨大贡献。
3．3、纳米润滑添加剂在改善汽车尾气排放方面的应用
近几十年来，随着工业的发展和能源消耗的日益增加，由于燃烧过程产生的有害物质对大气产生了严重的污染。特别是石油燃料的大量消耗所引起的不利结果，在工业与交通集中的地区表现最为突出，并引起人们的普遍关注。
汽车是当今最大的大气污染源，这已被许多国家的调查所证实。现在，世界上约有两亿辆汽车，其中大部分在城市中行驶。这些汽车每年都排放出大量的一氧化碳、碳氢化合物和一氧化氮等有害气体，而且随着汽车数量的逐年增加，汽车排放到大气中的有害物质还会随之增加。而应用纳米润滑添加剂后对汽车尾气的排放有明显的改善作用。如前面提到的“驰畅”牌纳米润滑剂，不但节省燃油，而且也大大降低尾气的排放。该添加剂在交通部汽车运输行业能源利用监测中心进行的发动机台架检验结果也表明，加有该添加剂的发动机怠速排放污染物CO的净化率为19.9%，HC化合物的净化率为15.1%。纳米润滑添加剂之所以能降低尾气的排放，笔者认为主要是其具有修复平滑发动机的作用。汽油机排放的污染物主要是由排气管排放出来的，除了尾气排放外，曲轴箱窜气也是汽油机排放的一个主要来源，而曲轴箱窜气量的大小与发动机磨损的情况有密切关系，如图1所示。
可以看出发动机磨损大时，曲轴箱的窜气量明显增大，从而汽车的排放物增多，由于纳米添加剂的表面活性较高，易于吸附在发动机磨损的凹痕处，起到修复平滑和密封的作用，改善了曲轴箱窜气现象，使得汽车尾气的排放减少。
4、结论
纳米材料独特的结构，奇异的性能，使其具有奇特的摩擦学性能，以这些纳米粒子制成的纳米润滑添加剂可使润滑油的减摩抗磨性能得到大幅度提高，同时其在节约能源和改善尾气排放等方面的效果也十分突出。随着人们对纳米材料及润滑机理的深入研究，可以预期这类产品将为解决润滑领域中长期未能解决的难题开辟一条新途径，必将在减少磨损、节约能源和环境保护方面发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1]S.Tarasov.A.kolubaev et al.Study of friction reduction by nanocopper additives to motor oil.Wear 252(2002): 63~69
[2]于立岩，崔作林．纳米铜粒子对润滑油摩擦磨损性能的影响．青岛化工学院学报，2002，23（3）：33～35
[3]赵彦保，周静芳等．油酸／PS/TiO2复合纳米微球液体石蜡抗磨性能的影响研究．摩擦学学报，2001,21(1):73～75
[4]张家玺，刘琨等．纳米金刚石颗粒对发动机润滑油摩擦学特性的影响．摩擦学学报，2002,22,(1):44～47
[5]吕兆歧，谢泉主编．润滑油品研究与应用指南．北京 中国石化出版社，1997:2
[6]李洪智，付百学等．纳米技术在汽车上的应用．汽车工艺与材料，2001,6:19～43