论文总字数：28101字

摘 要

对于机械相关行业来说，润滑油的良好性能是保障其正常稳定运转的重要因素。润滑油的性能主要取决于其中添加剂的种类、含量及性能，基础油则是保证润滑油质量的根本。传统的小分子一般含S、P、Cl等有害元素，既不符合环保要求，又难以满足在极端环境下的机械运行要求。故新型环保润滑油添加剂是国内外许多学者都在关注、开发的重点。纳米材料是一类理想的润滑油添加剂，可使润滑油在极端环境下也能表现出良好的抗磨减摩效果。同时，相比于传统的小分子润滑油添加剂，纳米材料更为环境友好。本文综述了纳米添加剂在润滑油中的应用，主要从纳米颗粒的表面改性方法（主要为纳米二氧化硅）和表征手段、纳米添加剂的润滑机制、纳米润滑油的分散稳定性测试方法以及含纳米颗粒润滑油的摩擦磨损性能、流变特性（主要是粘度特性）和边界润滑等多个方面进行了讨论。最后，从以上几个方面进行了总结并提出了该领域还需深入研究的方向。

关键词：润滑油；纳米颗粒；表面改性；分散稳定性；边界润滑

Abstract

For machinery related industries, the good performance of lubricating oil is an important factor to ensure its normal and stable operation. The performance of lubricating oil mainly depends on the type, content and performance of additives. Traditional small molecules generally contain S, P, Cl and other harmful elements, which neither meet the requirements of environmental protection nor meet the requirements of mechanical operation in extreme environments. Therefore, many researchers at home and abroad are paying attention to and developing new environmental lubricant additives. Nanomaterials are a kind of ideal lubricating oil additive, which can make lubricating oil show good anti-wear and anti-friction effect even in extreme environment. At the same time, nanomaterials are more environmentally friendly than traditional small molecule lubricant additives. This paper reviews the application of nano-additives in lubricating oil. Mainly from the methods of surface modification of nanoparticles (mainly for the nano silicon dioxide) and the characterization methods, the lubrication mechanism of nano-additives, dispersion stability test methods of nanometer lubricating oil and the friction and wear properties, rheological properties (mainly viscosity properties) and boundary lubrication of lubricating oil containing nanoparticles , and other aspects were discussed. Finally, it summarized the above aspects and put forward the direction of further study in this field.

Key Words: lubricating oil; nanoparticles; surface modification; dispersion stability; boundary lubrication

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 润滑油的应用背景 1

1.2 润滑油的改性 2

1.3 本文的主要工作内容 3

第2章 纳米颗粒的表面改性和表征 4

2.1 表面改性的基本概念和意义 4

2.2 表面改性方法 4

2.2.1 纳米二氧化硅的表面改性 4

2.2.2 其他纳米颗粒的表面改性 7

2.3 改性纳米颗粒的表征方法 8

第3章 纳米颗粒在润滑油中的应用 9

3.1 纳米润滑油添加剂的抗磨减摩机理 9

3.1.1 吸附、渗透和摩擦化学观点 9

3.1.2 滚珠轴承效应 10

3.1.3 保护膜/沉积膜 10

3.1.4 表面修补效应 11

3.1.5 表面抛光效应 11

3.2 改性纳米颗粒在润滑油中的分散性研究 12

3.2.1 改性纳米颗粒的分散稳定性 12

3.2.2 改性纳米颗粒的粒度 14

3.3 含纳米颗粒润滑油的摩擦磨损性能 14

3.4 含纳米颗粒润滑油的流变特性 16

3.5 含纳米颗粒润滑油的边界润滑 18

第4章 结论 21

参考文献 23

致 谢 27

绪论

润滑油的应用背景

随着现代科技的快速发展，各种各样的机械已经渗透到越来越多的人群和企业当中。然而，摩擦问题的存在将会极大地损耗机械能量、降低机械效率、缩短机器的寿命^[1]。据报导，由于摩擦而被消耗的一次能源每年占全球近二分之一 ^[2]。目前摩擦带来的问题主要有以下方法供以解决：减小相对摩擦表面的粗糙度、选用合适的摩擦副材料、使摩擦副间的相对运动形式发生改变和用合理的方法运用润滑油^[3]。这些方法当中，最常用且最有效的方法即为合理地运用润滑油。润滑油一直是机械、摩擦学、能源和润滑等多个领域的研发热点，它被广泛用于工业和制造单位，以保证产品和工具免受磨损，并保持各自的表面质量^[4]。此外，润滑油优化了制造过程中的摩擦系数（COF）并能降低机械系统中的余热积累。因此，提高润滑油的性能对于保护机械设备免受高概率损伤和降低能耗具有重要意义。

润滑油的主要组成为基础油和添加剂^[5]，前者含量一般为75%至85%，后者含量一般为15%至25%。由组成含量可知：基础油是润滑油的主要组分并在其中起主要作用；添加剂虽然含量不多，但是传统润滑油存在某些性能不足，加入合适的添加剂可以弥补这些不足并能赋予新的性能，故添加剂是体现润滑油功能的主要来源。由于对石油的传统炼制方法进行改变并不能充分满足如今机械行业的发展需求，添加剂的品质将直接影响到润滑油的性能，故需要对添加剂进行深入研究。以前，粘度较大的润滑油通常是人们的首选。但是，粘度过大的润滑油具有以下明显的缺点：（1）由于粘度大导致分子间内摩擦力变大，无用功变多，效率下降；（2）由于粘度大导致油品的冷却效果下降，使设备容易过热；（3）由于粘度大导致在低温启动时易产生干摩擦，导致器件损伤^[6]。从以上可以看出，对于所使用的润滑油基础油，基于环保节能的考虑，目前低粘度化也是最好的选择^[5]。

二十一世纪是清洁的时代，世界各国人民的焦点均汇聚于地球的环保问题。随着人们的环保意识不断增强，润滑油的品质管控也势必越来越严格，要做到低磷化、低硫化、低粘度、低污染等要求。显然传统润滑油添加剂难以满足这些需求，因为传统润滑油添加剂大多含有重金属和有害元素，如S、P、Cl、Zn等，会在制备与使用的过程中对环境造成污染，使金属腐蚀，与生态环境友好的宗旨相违背；在某些特殊条件下，传统润滑油添加剂中的化合物可能还会发生化学变化，生成不利于润滑的物质^[7]。为了降低毒性并提高生物降解性，在新型润滑油添加剂的分子设计方面，各国研究人员都做了大量工作。目前改进方法主要有以下两种：（1）在保持相似的摩擦学特性这个前提下，将传统润滑油添加剂中的重金属元素和有害元素取代成易被生物降解的非金属元素，如O、N、Mo等；（2）将纳米颗粒作为润滑油添加剂^[8]。

其中，纳米颗粒在润滑油领域的应用是近年来各国研究的热点。纳米颗粒作为添加剂的优点具有以下几个方面^[9]：（1）悬浮在基础油中的稳定性优于宏观和微观颗粒；（2）纳米颗粒很容易进入接触区域，并能提供一层防护涂层；（3）纳米颗粒不需要一个诱导期来获得所需的摩擦学性能，因为它们通常在环境温度下是有效的；（4）纳米颗粒比其本体粒子具有更好的热物理性能；（5）纳米颗粒具有良好的摩擦学特性，Cu ^[10]、Pd ^[11]、二氧化硅^[12]、TiO₂ ^[13]、MoS₂ ^[14]、La(OH)₃ ^[15]以及一些纳米复合材料都因此被用作润滑油添加剂。

润滑油的改性

机械的良好运转离不开润滑油的使用。机器运转时润滑油的添加可以减少摩擦和磨损、防止粘接。由于目前机械设备工作条件日益严酷，需要在高温、高压、高速等极压环境下依旧保持良好的工作状态。为了满足这些需求，需要选用合适的添加剂以改善润滑油的各种理化性能。根据作用，润滑油添加剂主要可以分为两类。一类是可以使润滑油的化学性质发生改变的添加剂：清净分散剂、极压抗磨剂、抗氧剂等。另一类是可以使润滑油的物理性质发生改变的添加剂：油性剂、降凝剂、抗泡剂等。

为了控制全球一次能源消耗的速度，需要提高燃油的经济性、功能性、环保性以及发动机零部件的使用寿命，这就推动了发动机新技术和润滑油的发展。对润滑油添加剂的研究也因此倾向于多功能、高性能和环境友好等方向。为了优化润滑油的润滑性能使之达到最佳，需要在其中加入不同类型的化学添加剂。这些添加剂应可以提高所使用的基础油的润滑性能，也可以保护发动机的金属表面^[19]。

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