納米二硫化鉬在菜子油的摩擦學研究范文

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摘要：對納米MoS2在菜子油中的摩擦學行為和抗磨減摩機理進行了研究。將納米MoS2用高堿值合成磺酸鈣（T106）穩定地分散于菜子油中，并用四球機考察了菜子油的磨斑直徑和摩擦因數。納米MoS2的添加量在0%～1.0%范圍內，菜子油的磨斑直徑和摩擦因數均隨著納米MoS2的增加而降低，當納米MoS2的添加量為1.0%時，菜子油的磨斑直徑下降了7.8%。用掃描電子顯微鏡（SEM），能量色散譜（EDS）和x射線光電子能譜（XPS）對磨斑表面形貌和典型元素的化學狀態進行了分析，發現磨斑表面有Fe2O3，FeSO4和MoO3。在摩擦的作用下，納米MoS2在摩擦區域發生了化學反應，生成了含Fe2O3，FeSO4和MoO3的化學膜，該化學膜具有抗磨減摩特性，提高了菜子油的抗磨減摩性能。（圖12表0參考文獻11）

關鍵詞：摩擦學特性;納米二硫化鉬;菜子油;化學膜;抗磨減摩機理

引言

添加劑是提高潤滑油性能的重要組分，按照其功能劃分主要有抗氧化劑、極壓抗磨劑、清凈劑及防銹劑等，加入適當的添加劑是提高潤滑油性能的重要手段。納米材料是指至少有一維尺寸為納米級別的材料，當材料的尺寸縮小至納米級別時，會凸顯出諸如小尺寸效應、界面效應及量子隧道效應等特性，這些特性決定了納米材料具有廣泛的研究意義和應用價值。納米材料同樣可以用作潤滑油添加劑，一些納米固體粒子加入到潤滑油中可以明顯提升潤滑油的性能，展現出許多優于傳統添加劑的特點。研究表明，納米粒子可以在摩擦副間發生滾動，起到類似“微軸承”的作用；納米粒子的高擴散能力使其能夠在摩擦表面形成較為連續均勻的滲透層或擴散層，起到良好的抗磨效果；部分納米粒子在摩擦過程中可以填充摩擦表面的缺陷和磨痕［1-3］。鑒于納米粒子這些優良的特性和應用前景，納米潤滑油添加劑已經成為摩擦學和機械制造等研究的熱點。MoS2晶體屬于六方晶系，是典型的“三明治”層狀結構的化合物，每個平面層為S—Mo—S的結構，每層之間的間距約為0.65nm，層內Mo和S以共價鍵結合，MoS2晶體內Mo—S棱面很多，比表面積大，層邊緣有懸空鍵，層間以微弱的范德華力維系［4-8］。因此層狀結構的MoS2容易受外界的影響破壞層與層之間的堆垛結構，并形成較為穩定的薄層。當MoS2用作潤滑劑時，層狀MoS2會轉移到金屬表面，減緩摩擦和磨損，這一性質使其在摩擦潤滑領域有良好的應用。20世紀50年代，普通MoS2就作為第一代固體潤滑劑得到了廣泛的應用，但普通MoS2可能會與接觸表面發生化學作用，從而產生摩擦熱，引起氧化、腐蝕及接觸面的磨損，導致應用范圍受到很大的限制，近年來納米MoS2用作潤滑油添加劑得到了廣泛的關注。Cizaire等制備了納米MoS2并評價了它們的摩擦學特性，結果表明與普通的MoS2相比，納米MoS2具有較好的摩擦學特性［9］。研究了將納米MoS2加入到菜子油中的摩擦學行為，并通過掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM），能量色散譜（EnergyDispersiveSpectrometer，EDS）和x射線光電子能譜（x-rayphotoelectronspectroscopy，XPS）分析了納米MoS2的抗磨減摩性能和機理。

1試驗部分

1.1試驗材料菜子油：嘉里糧油有限公司重慶分公司出品，40℃運動黏度31.46mm2/s，100℃運動黏度8.42mm2/s，傾點-19℃，閃點（開口）305℃。納米MoS2添加劑：蘇州恒球科技有限公司出品，等離子弧法工藝生產，其顯微形貌見圖1。

1.2穩定性考察將納米MoS2按照0.0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0%的質量分數加入到菜子油中，并加入高堿值合成磺酸鈣清凈分散劑（T106）進行超聲分散，對含有質量分數為1.0%的納米MoS2在菜子油中進行沉降試驗以考察納米MoS2在菜子油中的穩定性，并與不含分散劑的菜子油作為對照。

1.3摩擦學考察采用濟南舜茂試驗儀器有限公司出品的MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機，依據《潤滑油抗磨損性能測定法（四球機法）》：SH/T0189—92方法進行摩擦學試驗。試驗鋼球為GCr15標準鋼球（直徑12.7mm，HRC硬度58～62）；載荷為392N；轉速1200r/min；試驗時間為30min；磨斑直徑采用光學顯微鏡測量，用3個底球磨斑直徑的算術平均值作為結果。1.4表面分析摩擦學試驗結束后，將鋼球取出并用石油醚進行超聲清洗，之后用Quanta250FEG型掃描電子顯微鏡（SEM）配合能量色散譜（EDS）分析磨痕的表面形貌和元素含量，用Escalab250型x射線光電子能譜（XPS）分析磨痕表面典型元素的化學狀態。

2結果與討論

2.1穩定性分析圖2是含有質量分數為1.0%的納米MoS2在菜子油中的穩定性考察結果。從圖2中可以看到，未加分散劑的油樣在靜置1d后即出現沉降分層現象，之后隨著靜置時間的延長，沉降現象越來越嚴重，至7d后油樣中的納米MoS2基本沉降完全，上層油樣呈現半透明狀態；而加入了分散劑的油樣在整個靜置周期中表現出良好的穩定性，說明T106清凈分散劑能增加納米MoS2在菜子油中的穩定性。

2.2摩擦磨損分析圖3是摩擦試驗后鋼球表面磨斑直徑（WSD）隨納米MoS2在菜子油中質量分數的變化曲線。圖3磨斑直徑隨納米MoS2質量分數的變化曲線從圖3中可以看到，含納米MoS2的菜子油的磨斑直徑比純菜子油的磨斑直徑小，且磨斑直徑均隨納米MoS2質量分數的增加而降低。當菜子油中納米MoS2的質量分數為1.0%時，磨斑直徑相較于純菜子油的磨斑直徑下降了7.8%。圖4是摩擦因數隨納米MoS2在菜子油中質量分數的變化曲線。從圖4中可以看到，菜子油的摩擦因數隨納米MoS2質量分數的增加而降低。圖5是含不同質量分數納米MoS2的菜子油的摩擦因數隨試驗時間的變化曲線。從圖5中可以看到，含納米MoS2質量分數高的菜子油在摩擦試驗周期內的實時摩擦因數基本上低于含納米MoS2質量分數低的菜子油，說明納米MoS2具有持久的減摩效應。從圖5中還可以看到，不含納米MoS2的純菜子油在整個摩擦試驗周期內摩擦因數有先上升后下降的趨勢，這可能是由于在摩擦的初始階段摩擦膜均勻性及完整性不夠造成的。對于添加了納米MoS2的菜子油，摩擦因數在初始階段上升的趨勢并不明顯，這可能是納米MoS2快速形成了具有減摩作用的潤滑膜所致。以上結果表明，納米MoS2可以明顯地提升菜子油的抗磨減摩性能。在一定的范圍內，納米MoS2的添加量越高，其抗磨減摩作用就越明顯。

2.3磨斑表面分析2.3.1掃描電子顯微鏡和能量色散譜分析圖6和圖7分別是純菜子油和含有1.0%質量分數納米MoS2的菜子油局部磨損表面具體形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。圖6純菜子局部磨損表面具體形貌圖7含1.0%納米MoS2菜子油局部磨損表面具體形貌對比圖6和圖7可以看到，含1.0%納米MoS2菜子油的犁溝更淺，擦傷更輕微，進一步說明了納米MoS2可以有效地提高菜子油的抗磨性能。圖8（見下頁）和圖9（見下頁）分別是圖6和圖7中方框內磨損表面的能量色散譜（EDS）分析結果。從圖8和圖9中可以發現，純菜子油鋼球磨斑表面的Mo和S元素含量很低，推測可能來源于鋼球自身；而含1.0%納米MoS2的菜子油鋼球磨斑表面的Mo和S元素含量較多，應是納米MoS2在磨斑表面產生了物理吸附或者參與了摩擦化學反應。為檢測磨損表面元素的化學狀態，對磨斑進行了x射線光電子能譜（XPS）分析。2.3.2x射線光電子能譜分析對純菜子油鋼球磨斑表面和含1.0%納米MoS2的菜子油鋼球磨斑表面進行了Mo3dx射線光電子能譜（XPS）分析。在純菜子油鋼球磨斑表面沒有出現Mo3d的特征峰，而含1.0%納米MoS2的菜子油鋼球磨斑表面在230.6eV處和229.2eV處明顯出現了MoS2的特征峰，見圖10。從圖10中可以看到，在含1.0%納米MoS2的菜子油鋼球磨斑表面還在233.7eV處和232.4eV處也出現明顯的吸收峰，這兩處吸收峰對應的是MoO3［10］。說明部分納米MoS2在摩擦表面參與了摩擦化學反應。同樣對純菜子油鋼球磨斑表面和含1.0%納米MoS2的菜子油鋼球磨斑表面進行了S2px射線光電子能譜（XPS）分析。發現在含1.0%納米MoS2的菜子油鋼球磨斑表面出現了161.8eV和163.2eV的MoS2特征峰，而在純菜子油鋼球磨斑表面卻沒有出現相應的吸收峰，見圖11。圖11磨斑S2p的XPS能譜從圖11中還可以看到，在168.7eV處和170.8eV處出現了明顯的吸收峰，這應該是摩擦化學反應生成的FeSO4的吸收峰［11］。結合圖10和圖11分析，可以確定納米MoS2在鋼球表面發生了吸附。還對純菜子油鋼球磨斑表面和含1.0%納米MoS2的菜子油鋼球磨斑表面進行了Fe2px射線光電子能譜（XPS）分析，見圖12。圖12磨斑Fe2p的XPS能譜兩種潤滑介質在710.2eV和724.8eV處均存在明顯的吸收峰，這兩處吸收峰對應的是FeSO4和/或Fe2O3。結合圖11對S2p的分析，可以推斷純菜子油磨斑表面為Fe2O3，而含1.0%納米MoS2的菜子油鋼球磨斑表面為Fe2O3和FeSO4；兩種潤滑介質磨斑均未出現Fe單質的吸收峰，說明在這兩種潤滑介質中鋼球磨斑表面均形成了完整的界面膜。

3結論

納米MoS2的添加量在0%～1.0%范圍內，菜子油的磨斑直徑和摩擦因數均隨著納米MoS2的增加而降低。當納米MoS2的添加量為1.0%時，菜子油的磨斑直徑下降了7.8%。納米MoS2在摩擦表面發生了物理吸附，并參與了摩擦化學反應，生成了含FeSO4，Fe2O3和MoO3的化學膜。該化學膜具有抗磨減摩特性，提高了菜子油的抗磨減摩性能。

參考文獻：

［1］方建華，陳波水，張斌，等.納米潤滑添加劑的抗磨減摩機理［J］.合成潤滑材料，2001，28（2）：15-18.

［2］歐忠文，徐濱士，丁培道.納米潤滑材料應用研究進展［J］.材料導報，2000，14（8）：28-30.

作者：姜自超 方建華 王鑫 馮彥寒 單位：陸軍勤務學院