纳米二硫化钼在菜子油的摩擦学研究范文

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摘要：对纳米MoS2在菜子油中的摩擦学行为和抗磨减摩机理进行了研究。将纳米MoS2用高碱值合成磺酸钙（T106）稳定地分散于菜子油中，并用四球机考察了菜子油的磨斑直径和摩擦因数。纳米MoS2的添加量在0%～1.0%范围内，菜子油的磨斑直径和摩擦因数均随着纳米MoS2的增加而降低，当纳米MoS2的添加量为1.0%时，菜子油的磨斑直径下降了7.8%。用扫描电子显微镜（SEM），能量色散谱（EDS）和x射线光电子能谱（XPS）对磨斑表面形貌和典型元素的化学状态进行了分析，发现磨斑表面有Fe2O3，FeSO4和MoO3。在摩擦的作用下，纳米MoS2在摩擦区域发生了化学反应，生成了含Fe2O3，FeSO4和MoO3的化学膜，该化学膜具有抗磨减摩特性，提高了菜子油的抗磨减摩性能。（图12表0参考文献11）

关键词：摩擦学特性;纳米二硫化钼;菜子油;化学膜;抗磨减摩机理

引言

添加剂是提高润滑油性能的重要组分，按照其功能划分主要有抗氧化剂、极压抗磨剂、清净剂及防锈剂等，加入适当的添加剂是提高润滑油性能的重要手段。纳米材料是指至少有一维尺寸为纳米级别的材料，当材料的尺寸缩小至纳米级别时，会凸显出诸如小尺寸效应、界面效应及量子隧道效应等特性，这些特性决定了纳米材料具有广泛的研究意义和应用价值。纳米材料同样可以用作润滑油添加剂，一些纳米固体粒子加入到润滑油中可以明显提升润滑油的性能，展现出许多优于传统添加剂的特点。研究表明，纳米粒子可以在摩擦副间发生滚动，起到类似“微轴承”的作用；纳米粒子的高扩散能力使其能够在摩擦表面形成较为连续均匀的渗透层或扩散层，起到良好的抗磨效果；部分纳米粒子在摩擦过程中可以填充摩擦表面的缺陷和磨痕［1-3］。鉴于纳米粒子这些优良的特性和应用前景，纳米润滑油添加剂已经成为摩擦学和机械制造等研究的热点。MoS2晶体属于六方晶系，是典型的“三明治”层状结构的化合物，每个平面层为S—Mo—S的结构，每层之间的间距约为0.65nm，层内Mo和S以共价键结合，MoS2晶体内Mo—S棱面很多，比表面积大，层边缘有悬空键，层间以微弱的范德华力维系［4-8］。因此层状结构的MoS2容易受外界的影响破坏层与层之间的堆垛结构，并形成较为稳定的薄层。当MoS2用作润滑剂时，层状MoS2会转移到金属表面，减缓摩擦和磨损，这一性质使其在摩擦润滑领域有良好的应用。20世纪50年代，普通MoS2就作为第一代固体润滑剂得到了广泛的应用，但普通MoS2可能会与接触表面发生化学作用，从而产生摩擦热，引起氧化、腐蚀及接触面的磨损，导致应用范围受到很大的限制，近年来纳米MoS2用作润滑油添加剂得到了广泛的关注。Cizaire等制备了纳米MoS2并评价了它们的摩擦学特性，结果表明与普通的MoS2相比，纳米MoS2具有较好的摩擦学特性［9］。研究了将纳米MoS2加入到菜子油中的摩擦学行为，并通过扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，SEM），能量色散谱（EnergyDispersiveSpectrometer，EDS）和x射线光电子能谱（x-rayphotoelectronspectroscopy，XPS）分析了纳米MoS2的抗磨减摩性能和机理。

1试验部分

1.1试验材料菜子油：嘉里粮油有限公司重庆分公司出品，40℃运动黏度31.46mm2/s，100℃运动黏度8.42mm2/s，倾点-19℃，闪点（开口）305℃。纳米MoS2添加剂：苏州恒球科技有限公司出品，等离子弧法工艺生产，其显微形貌见图1。

1.2稳定性考察将纳米MoS2按照0.0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0%的质量分数加入到菜子油中，并加入高碱值合成磺酸钙清净分散剂（T106）进行超声分散，对含有质量分数为1.0%的纳米MoS2在菜子油中进行沉降试验以考察纳米MoS2在菜子油中的稳定性，并与不含分散剂的菜子油作为对照。

1.3摩擦学考察采用济南舜茂试验仪器有限公司出品的MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机，依据《润滑油抗磨损性能测定法（四球机法）》：SH/T0189—92方法进行摩擦学试验。试验钢球为GCr15标准钢球（直径12.7mm，HRC硬度58～62）；载荷为392N；转速1200r/min；试验时间为30min；磨斑直径采用光学显微镜测量，用3个底球磨斑直径的算术平均值作为结果。1.4表面分析摩擦学试验结束后，将钢球取出并用石油醚进行超声清洗，之后用Quanta250FEG型扫描电子显微镜（SEM）配合能量色散谱（EDS）分析磨痕的表面形貌和元素含量，用Escalab250型x射线光电子能谱（XPS）分析磨痕表面典型元素的化学状态。

2结果与讨论

2.1稳定性分析图2是含有质量分数为1.0%的纳米MoS2在菜子油中的稳定性考察结果。从图2中可以看到，未加分散剂的油样在静置1d后即出现沉降分层现象，之后随着静置时间的延长，沉降现象越来越严重，至7d后油样中的纳米MoS2基本沉降完全，上层油样呈现半透明状态；而加入了分散剂的油样在整个静置周期中表现出良好的稳定性，说明T106清净分散剂能增加纳米MoS2在菜子油中的稳定性。

2.2摩擦磨损分析图3是摩擦试验后钢球表面磨斑直径（WSD）随纳米MoS2在菜子油中质量分数的变化曲线。图3磨斑直径随纳米MoS2质量分数的变化曲线从图3中可以看到，含纳米MoS2的菜子油的磨斑直径比纯菜子油的磨斑直径小，且磨斑直径均随纳米MoS2质量分数的增加而降低。当菜子油中纳米MoS2的质量分数为1.0%时，磨斑直径相较于纯菜子油的磨斑直径下降了7.8%。图4是摩擦因数随纳米MoS2在菜子油中质量分数的变化曲线。从图4中可以看到，菜子油的摩擦因数随纳米MoS2质量分数的增加而降低。图5是含不同质量分数纳米MoS2的菜子油的摩擦因数随试验时间的变化曲线。从图5中可以看到，含纳米MoS2质量分数高的菜子油在摩擦试验周期内的实时摩擦因数基本上低于含纳米MoS2质量分数低的菜子油，说明纳米MoS2具有持久的减摩效应。从图5中还可以看到，不含纳米MoS2的纯菜子油在整个摩擦试验周期内摩擦因数有先上升后下降的趋势，这可能是由于在摩擦的初始阶段摩擦膜均匀性及完整性不够造成的。对于添加了纳米MoS2的菜子油，摩擦因数在初始阶段上升的趋势并不明显，这可能是纳米MoS2快速形成了具有减摩作用的润滑膜所致。以上结果表明，纳米MoS2可以明显地提升菜子油的抗磨减摩性能。在一定的范围内，纳米MoS2的添加量越高，其抗磨减摩作用就越明显。

2.3磨斑表面分析2.3.1扫描电子显微镜和能量色散谱分析图6和图7分别是纯菜子油和含有1.0%质量分数纳米MoS2的菜子油局部磨损表面具体形貌的扫描电子显微镜（SEM）照片。图6纯菜子局部磨损表面具体形貌图7含1.0%纳米MoS2菜子油局部磨损表面具体形貌对比图6和图7可以看到，含1.0%纳米MoS2菜子油的犁沟更浅，擦伤更轻微，进一步说明了纳米MoS2可以有效地提高菜子油的抗磨性能。图8（见下页）和图9（见下页）分别是图6和图7中方框内磨损表面的能量色散谱（EDS）分析结果。从图8和图9中可以发现，纯菜子油钢球磨斑表面的Mo和S元素含量很低，推测可能来源于钢球自身；而含1.0%纳米MoS2的菜子油钢球磨斑表面的Mo和S元素含量较多，应是纳米MoS2在磨斑表面产生了物理吸附或者参与了摩擦化学反应。为检测磨损表面元素的化学状态，对磨斑进行了x射线光电子能谱（XPS）分析。2.3.2x射线光电子能谱分析对纯菜子油钢球磨斑表面和含1.0%纳米MoS2的菜子油钢球磨斑表面进行了Mo3dx射线光电子能谱（XPS）分析。在纯菜子油钢球磨斑表面没有出现Mo3d的特征峰，而含1.0%纳米MoS2的菜子油钢球磨斑表面在230.6eV处和229.2eV处明显出现了MoS2的特征峰，见图10。从图10中可以看到，在含1.0%纳米MoS2的菜子油钢球磨斑表面还在233.7eV处和232.4eV处也出现明显的吸收峰，这两处吸收峰对应的是MoO3［10］。说明部分纳米MoS2在摩擦表面参与了摩擦化学反应。同样对纯菜子油钢球磨斑表面和含1.0%纳米MoS2的菜子油钢球磨斑表面进行了S2px射线光电子能谱（XPS）分析。发现在含1.0%纳米MoS2的菜子油钢球磨斑表面出现了161.8eV和163.2eV的MoS2特征峰，而在纯菜子油钢球磨斑表面却没有出现相应的吸收峰，见图11。图11磨斑S2p的XPS能谱从图11中还可以看到，在168.7eV处和170.8eV处出现了明显的吸收峰，这应该是摩擦化学反应生成的FeSO4的吸收峰［11］。结合图10和图11分析，可以确定纳米MoS2在钢球表面发生了吸附。还对纯菜子油钢球磨斑表面和含1.0%纳米MoS2的菜子油钢球磨斑表面进行了Fe2px射线光电子能谱（XPS）分析，见图12。图12磨斑Fe2p的XPS能谱两种润滑介质在710.2eV和724.8eV处均存在明显的吸收峰，这两处吸收峰对应的是FeSO4和/或Fe2O3。结合图11对S2p的分析，可以推断纯菜子油磨斑表面为Fe2O3，而含1.0%纳米MoS2的菜子油钢球磨斑表面为Fe2O3和FeSO4；两种润滑介质磨斑均未出现Fe单质的吸收峰，说明在这两种润滑介质中钢球磨斑表面均形成了完整的界面膜。

3结论

纳米MoS2的添加量在0%～1.0%范围内，菜子油的磨斑直径和摩擦因数均随着纳米MoS2的增加而降低。当纳米MoS2的添加量为1.0%时，菜子油的磨斑直径下降了7.8%。纳米MoS2在摩擦表面发生了物理吸附，并参与了摩擦化学反应，生成了含FeSO4，Fe2O3和MoO3的化学膜。该化学膜具有抗磨减摩特性，提高了菜子油的抗磨减摩性能。

参考文献：

［1］方建华，陈波水，张斌，等.纳米润滑添加剂的抗磨减摩机理［J］.合成润滑材料，2001，28（2）：15-18.

［2］欧忠文，徐滨士，丁培道.纳米润滑材料应用研究进展［J］.材料导报，2000，14（8）：28-30.

作者：姜自超 方建华 王鑫 冯彦寒 单位：陆军勤务学院