纳米MoS2的摩擦学特性.pdf

第5 8 卷第4 期 2 006 年11 月 有色金属 N O n f e l “ E O U SM e t a l s V 0 1 ．5 8 ，N o ．4 N o v e r n l 3 e r2 0 0 6 纳米M o S 2 的摩擦学特性 于旭光 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘 要采用E D S 分析磨痕表面元素的化学状态，扫描电子显微镜观察磨痕表面形貌，在M S - 8 0 0 A 四球摩擦磨损实验机上 考察M o S 2 纳米材料作为润滑油添加剂的摩擦学特性。通过对刚球磨斑直径、P B 值的变化分析M o N 纳米材料的形貌、添加剂含 量对润滑油摩擦性能的影响。结果表明，M o S 2 纳米颗粒具有好的减磨性能和极压性能，M o S 2 纳米纤维对增加极压性能影响不 大。随着添加剂含量的增加，润滑油的减磨性降低，极压性提高。纳米M o S 2 对摩擦副的减磨和极压性能改善的原因是由于其吸 附于摩擦副表面，在摩擦过程中，纳米M o 龟分解，生成含M o 的氧化膜，起到改善摩擦学性能的作用。 关键词无机非金属材料；M o N ；纳米材料；润滑油添加剂；摩擦学特性 中图分类号T G l l 5 ．5 8文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 4 0 0 0 5 0 4 纳米微粒作为润滑剂或润滑油添加剂表现出优 良的摩擦学特性[ 1 “] ，业已发现，许多纳米微粒具 有优异的自润滑特性和超低摩擦特性，能够显著改 善某些表面涂层的摩擦磨损性能，同时在较宽的温 度范围内表现出良好的减摩和抗磨作用，在常温至 中等高温范围内的连续润滑方面具有潜在的应用价 值。目前对纳米M o S 2 摩擦学特性的研究比较 多【7 | ，可以通过多种方法获得纳米M o S 2 ，由不同方 法得到的M o S 2 纳米颗粒的形态特征和性能等也存 在明显差异。研究采用热分解法制备的不同形态的 纳米M o S 2 的摩擦学性能，考察纳米材料形态及添 加量对润滑油摩擦性能的影响，并探讨其作用机理。 1买验方法 摩擦磨损试验在M S 一8 0 0 A 四球摩擦磨损实 验机上进行，以不同的载荷进行试验。试件为 G C r l 5 标准轴承钢球，直径为4 0 1 2 ．7 r a m ，硬度为5 9 ～6 1 H R C 。基础油为3 0 0 S N 石蜡基础油。载荷范 围0 ～8 0 0 0 N ，主轴转速范围为6 0 0 ～3 0 0 0 r ／m i n 。 磨斑直径用四球机专用显微镜测量。按照G B ／T 1 2 5 8 3 9 0 润滑剂承载能力测定法 四球法 ，测定 纳米材料在3 0 0 S N 基础油中的摩擦磨损性能。用 S S X 一5 5 0 型扫描电子显微镜磨痕表面的化学元素和 形貌分析。 收稿日期2 0 0 6 一0 4 2 6 作者简介于旭光 1 9 6 7 一 ，男，内蒙古赤蜂市人。工程师，博士，主 要从事新型金属材料的开发与研究。 2 试验结果与讨论 2 ．1 纳米M o S z 的形态对摩擦学性能的影响 纳米材料的形状不同，其摩擦学特性不同。试 验中利用C S F ．1 A 型超声波发生器，将分散剂T 1 0 6 和制备的M o S z 纳米颗粒和M o S 2 纳米纤维均匀分 散于基础油中，分别在基础油中配制成质量分数为 1 ．5 ％的悬浊液。按照G B ／r 1 2 5 8 3 ．9 0 测定油样的 最大无卡咬负荷 P B 值 ，同时测定钢球磨斑直径 载荷3 9 2 N ，转速为1 4 5 0 r ／m i n ，试验时间为 3 0 m i n 。 图1 为基础油中分别添加两种形态纳米M o S 2 ， 载荷3 9 2 N ，3 0 m i n 条件下测得的长磨试验试件的磨 斑直径 W S D 。 E E 、 蹬 蜘 嶷 蛰 图1 不同形状纳米M o S 2 的耐磨性能 F i g ．1 A n t i w e a rp r o p e r t yo fv a r i o u ss h a p e so fn a n o - M o S 2 磨斑直径大小标示着润滑油的耐磨性能。磨斑 直径越小，耐磨性越好。由图1 可见，基础油的磨斑 直径为0 ．8 6 r a m ，在基础油中分别加入1 ．5 ％的颗粒 状和纤维状纳米M o S 2 后，磨斑直径分别为0 ．4 9 m m 万方数据 6有色金属第5 8 卷 和0 ．7 0 m m ，可见当添加量相同时不同形态的纳米 M o S 2 对基础油的耐磨作用不同。M o S e 纳米颗粒可 降低磨损，增加润滑油耐磨性，因为纳米M o S 2 颗粒 的粒径小，能嵌入摩擦副粗糙表面的凹谷中将其填 实，凹处的M o 岛成为核心面生长成膜，这样纳米 M o S z 颗粒在摩擦副的凹谷处储存起来，摩擦过程 中，当上层吸附的纳米颗粒脱落后，凹谷处的纳米颗 粒会立即补充。M o S 2 纳米颗粒的吸附能力强，成膜 强度高，油膜不易破裂。M o S 2 纳米纤维对润滑油的 耐磨性影响比较小，原因是M o S z 纳米纤维主要是 吸附在摩擦副表面，形成润滑膜。 图2 所示为在基础油中分别添加两种形态的纳 米M o S z 后最大无卡咬负荷P B 值的变化。P B 值大 小反映添加剂在摩擦表面所形成油膜的承载能力。 基础油P B 值为3 6 1 N ，在基础油中分别添加1 ．5 ％ 的纳米M o S 2 颗粒和M o S 2 纳米纤维后，P B 值变大， 油膜强度增加，两种纳米M o S z 相比较，纳米颗粒添 加后润滑膜强度提高最多。 荟 簧 鳘 褰 鲻 图2 不同形状纳米M o S 2 的极压性能 F i g ．2 E x t r e m ep r e s s u r ep r o p e r t yo f v a r i o u ss h a p e so fn a n o - M o S 2 2 ．2 纳米M o S 2 的添加量对摩擦学性能的影响 图3 所示为载荷3 9 2 N 下测得长磨试验试件的 磨斑直径 W S D 随M o S 2 纳米颗粒在基础油中的 含量的变化关系曲线。基础油的磨斑直径比较大， 为0 ．8 6 m m ，钢球表面产生黏着摩擦，加入0 ．1 ％ M o S 2 纳米颗粒后，其磨斑直径下降，为0 ．4 3 m m ，表 明M o S 2 纳米颗粒起到减磨作用。随着纳米M o S 2 在基础油中含量的增加，磨斑直径变大，当添加量超 过2 ％时，磨斑直径大幅度增加。这说明纳米M o S 2 作为润滑油添加剂有一个最佳范围，加入过量的纳 米M o S 2 ，由于其具有较大的比表面积和比表面能， 在摩擦作用下形成较大的聚集体，降低润滑油的减 摩抗磨性能，使磨斑直径逐渐增大，磨损加大。 图4 所示为最大无卡咬负荷P 。值随纳米 u I M o S 2 ，％ 图3 磨斑直径 W S D 与M o S 2 含量的关系 F i g 。3W S Dv a l u ea n dc o n t e n to fM o S z M o S 2 颗粒含量的变化关系曲线。随着纳米M o S 2 在基础油中含量增加，最大无卡咬负荷P B 值变大， 油膜承载能力增加。因为M o S 2 含量增加，在摩擦 副表面形成比较厚的润滑膜，润滑膜的厚度越大，承 载能力就越大。一旦摩擦副表面吸附的M o S 2 在摩 擦过程中脱附，由于基础油中添加剂的浓度增大，纳 米颗粒容易重新吸附在表面起润滑作用。因此，随 添加剂含量的增加，润滑油膜的承载能力增大。图 4 还表明，P B 与M o S 2 含量关系并非一条斜率不变 的直线，当添加量为1 ．5 ％时，出现拐点，即当添加 含量≤1 ．5 ％时，P B 的变化显著。而含量大于 1 ．5 ％肘，P B 值的改善就不那么显著了。所以，纳米 M o S z 作为润滑油添加剂对提高润滑油的极压性能 的最佳添加量为1 ．5 ％左右。当基础油中添加 1 ．5 ％纳米M o S 2 时，最大无卡咬载荷为9 3 2 N ，普通 M o S z 在润滑油中的添加量为3 ％时，测得的P B 值 为6 9 5 ．8 N ，另外，有文献报道使用纳米M o 作润 滑油添加剂的P B 值为7 1 5 ．4 N 。 w M o S i J ，％ 图4P B 值与M o S 2 的关系 F i g ．4P Rv a l u ea n dc o n t e n to fM o S 2 实际应用中，要提高润滑油的最大无卡咬负荷， 纳米M o S 2 在基础油中的添加量比普通M o S 2 的添 加量少，而且，纳米颗粒比普通颗粒改善润滑油的极 压性能效果要好，即使纳米材料的成本要高于普通 万方数据 第4 期于旭光纳米M o S z 的摩擦学特性 7 材料，但以很少的添加量就能达到大量普通材料的 润滑效果，在实际应用中会有很大潜力。 2 ．3 磨痕表面分析 图5 所示为3 9 2 N 、转速为1 4 5 0 r ／m i n 、试验时 间为3 0 m i n 时长磨下试件表面磨斑形貌的S E M 照 片。试验是在基础油和在基础油中分别加入1 ．5 ％ 的颗粒状和纤维状纳米M o S z 的三种油样润滑条件 下进行的。图5 a 清楚地发现相互平行的一道道 犁沟，说明三种润滑条件下主要的磨损形式是颗粒 磨损，同时也存在黏着磨损，可以看到，纯基础油润 滑条件下，试件表面磨痕粗糙，犁沟痕迹晚显，磨痕 四周干净、沉积物很少，说明此时润滑剂不能抑制两 表面的直接接触，所以基础油润滑条件下，磨斑直径 处于较高值。图5 b 和图5 c 是基础油中分别添 加1 ．5 ％颗粒和纤维纳米M o S 2 的S E M 照片，图中 的标尺为2 0 肚m 。可见加入颗粒状纳米M o S z 后，其 磨痕表面光滑平整，磨痕周围和磨痕表面失去光泽， 其原因是在摩擦过程中表面能很高的纳米M o S 2 易 吸附于摩擦副接触表面，并且纳米M o S 2 所形成的 润滑膜分子之间的结合力大，在摩擦过程中，由于纳 米粒子表面能高，而因磨损而脱落的M o S 2 吸附膜 能够迅速经由后续吸附而得以补充和更新，阻止了 摩擦副表面的直接接触，从而起到良好的润滑作用， 这和前面加入添加剂后磨斑直径变小的试验结果相 吻合。未添加纳米M o S z 的基础油不能重新生成润 滑膜。球形的纳米颗粒通过颗粒粒径和增黏效应使 润滑剂的油膜增厚。 a 一基础油； b 一基础油 1 ．5 ％M o S z 纳米颗粒； c 一基础油 1 ．5 ％M o S 2 纳米纾维 图5 不向润滑条件下的钢球磨损表面形貌S E M 照片 6 0 0 F i g ．5S E Mm i e r o g r a p h so fw e a r i n ga p p e a r a n c eo fs t e e lb a l l si nd i f f e r e n tl u b r i c a n tc o n d i t i o n s 纳米M o S 2 的粒度非常小，颗粒更容易驻留在能量分析结果。基础油润滑的摩擦表面没有M o 和 摩擦副表面粗糙的波谷或摩擦过程中形成的磨痕 S 元素的存在，添加纳米M o S 2 的润滑条件下，长磨 中，当摩擦副产生相对滑动时，粗糙表面不相互接后的试件表面含有一定数量的S 元素和M o 元素， 触，纳米颗粒在波谷内起到了“微滚珠”作用，变滑动说明在摩擦过程中，极压值提高与摩擦过程中发生 摩擦为滚动摩擦，降低了摩擦，减小了磨损。的摩擦化学反应有关，润滑油中的M o S 2 分解并释 图6 所示为基础油和基础油中分别添加1 ．5 ％放出活性S ，这与前面的分析结果相符，与文献[ 8 ] M o S z 纳米颗粒和纳米纤维的三种油样润滑条件下 的结论一致。C r 元素为基础油中的成分。 E ／k e VE／keV强eV a 一基础油； b 一基础油 1 ．5 ％M o S 2 纳米颗粒； c 一基础油 1 ．5 ％M o S 2 纳米纤维 图6不同润滑条件下的能谱分析结果 F i g ．6 R e s u l t so fE D Si nd i f f e r e n tl u b r i c a n tc o n d i t i o n s 万方数据 8有色金属第5 8 卷 3结论 摩擦过程中载荷较高时接近或超过M o s 2 润滑 膜的承载能力，这时摩擦副表面微凸体间的直接接 触增加，表面会产生时间很短的高温，习惯上称之为 闪现温度。由于纳米M o S 2 表面能高，颗粒表面存 在大量悬浮键和缺陷结构，因而化学活性和扩散能 力很高，易发生摩擦化学反应，生成氧化钼和S 元素 单质，许多学者报道氧化钼在7 0 0 ℃以上具有仅次 于P b o 的优良润滑性。活性S 元素在摩擦过程中 与钢球表面发生摩擦化学反应，生成含F e S 等产物 参考文献 的反应膜，反应膜使钢球表面凸起部分变软，减小碰 撞阻力，同时由于表面上产生的塑性变形和磨屑填平 了金属表面的部分凹坑，增加了接触面积’，降低了接 触面的单位负荷，从而起到减摩和抗磨作用。而添加 纤维状纳米M o s 的润滑油中，由于颗粒的粒度较大， 表面活性能相对低，吸附能力差，同时吸附的M o S 2 纳 米纤维不能起到“微滚珠”作用，F e S 以及钢的氧化产 物在钢球磨损表面形成保护膜，但其在反复摩擦过程 中易于脱落而成为腐蚀性磨屑，从而加剧钢球的磨 损，使得含M o 是纳米纤维润滑条件下钢球的磨斑直 径比M D S ， 纳米颗粒来说增大。 [ 1 ] T a r a s o vS ，K o l u b a e vA ，B e l y a e vS ，e ta 1 ．S t u d yo ff r i c t i o nr e d u c t i o nb yn a n o e o p p e ra d d i t i v e st om o t o r o i l [ J ] ．w e a r ，2 0 0 2 ， 2 5 2 6 3 6 9 ． [ 2 ] Q i uSQ ，C h e nGX ．．P r e p a r a t i o no fN in a n o p a r t i c [ e sa n de v a l u a t i o no ft h et r i b o l o g i e a lp e r f 0 1 T n a n c ea sp o t e n t i a la d d i t i v e si no i l s [ J ] ．J o u r n a lo fT f i b o l o g y ，2 0 0 1 ， 1 2 3 4 4 1 4 4 3 ． [ 3 ] R a p o p o r tL ，F e l d m a nY ，H o m y o n f e rM ，e ta 1 ．I n o r g a n i cf u l l e r e n e - l i k em a t e r i a la sa d d i t i v e st ol u b r i c a n t s s t r u c t u r e - f u n c t i o nr e - l a t i o n s h i p 【J 】．w 断，1 9 9 9 ， 2 2 5 2 2 9 9 7 5 9 8 2 ． [ 4 ] R a p o p o r tL ，B i l i kY u ，F e l d m a nY ，e ta 1 ．H o l l o wn a n o p a r f i c l e so fW s 2 a sp o t e n t i a ls o l i d - s t a t el u b r i c a n t s [ J ] ．N a t u r e ，1 9 9 7 ， 3 8 7 7 9 f 一7 9 3 ． [ 5 ] P a p o p o r tL ，L v o v s k yM ，L a p s k e rI ，e ta 1 ．F r i c t i o na n dw e a ro fb r o n z ep o w d e rc o m p o s i t e si n c l u d i n gf u l l e r e n e - l i k ew S 2n a n o p a r t i c l e s [ J ] ．W e a r ，2 0 0 1 ， 2 4 9 1 5 0 1 5 7 ． [ 6 ] C i z a i r e 。L ，V a c h e rB ，L eM o g n eT ，e ta 1 ．M e c h a n i s m so fu l t r a l o wf r i c t i o nb y ’h o l l o wi n o r g a n i cf u l l e r e n e l i k eM 嗝n a n o p a r t i c l e s C J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ， 1 6 0 2 8 2 2 8 7 ． [ 7 ] 赵修臣，刘颖，余智勇．纳米粒子作润滑油添加剂的研究与展望[ J ] ．润滑与密封，2 0 0 2 ， 6 8 0 8 2 ． [ 8 ] F a r r JPG ．M o l y b d e n u md i s u l f i d ei nl u b r i c a t i o n - - a r ev i e w [ J ] ．W e a r ，1 9 7 5 ， 3 5 1 2 5 ． T r i b o l o g i c a lP r o p e r t yo fM o S 2N a n o m a t e r i a l s Y UX u - g u a n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e O i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h et r i b o l o g i c a lb e h a v i o ro fM o S 2n a n o m a t e r i a l sa r ei n v e s t i g a t e da sa d d i t i v e si nl u b r i c a t i n go i l so nM S - 8 0 0 A f o u r ．b a I lt e s t e r ．T h ec h e m i c a ls t a t e so ft h ee l e m e n t so nt h es u r f a c eo fs t e e lb a l lw o r ni nd i f f e r e n tl u b r i c a t i n gc o n d i t i o n sa r ed e t e r m i n e db yE D S ．a n dt h em o r p h o l o g i e so ft h es u r f a c e so fs t e e lb a l lw o r ni nd i f f e r e n t1 u b r i c a n ts y s t e m sa r eo b s e r v e do nf ls c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ．T h ea f f e c t i n gf a c t o r so nt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e ss u c ha st h e M o s 2n a n o m a t e r i a l ss h a p e ，t h ea d d i t i v e sc o n t e n ta r 6d i s c u s s e dt h r o u g ht h ew i d t ho ft h eg r i n ds p o td i a m e t e ra n d P Bv a l u e s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tM o S 2n a n o p a r t i c l e sc a nd e c r e a s et h ea b r a s i o na n di m p r o v et h ee x t r e m ep r e s s u r e p r o p e r t i e s ，b u tt h eM o S 2n a n o f i b e r sa l m o s th a v en oe f f e c to nt h ee x t r e m ep r e s s u r ep r o p e r t i e s ．W i t ht h ei n c r e a s e o ft h ea d d i t i v ec o n t e n t ，t h ea n t i w e a rc a p a c i t yi sd e c r e a s e da n dt h ee x t r e m ep r e s s u r ei si n c r e a s e d ．T h er e d u c t i o n o ft h ef r i c t i o na n di m p r o v et h ee x t r e m ep r e s s u r eo ft h ef r i c t i o np a i rb yt h en a n o p a r t i c l e si sr e s u l t e df r o mt h ee a s i e ra b s o r p t i o no ft h en a n o p a r t i c l e so nt h ef r i c t i o np a i ra n dt h ef o r m a t i o no fp r o t e c t i v ef i l mb yt h er e a d i l yd e c o m p o s i t i o no ft h en a n o p a r t i c l e si nt h es l i d i n gp r o c e s s ，t h e r e f o r et h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t yi su p d a t e d ． K e y w o r d s n o n m e t a lm a t e r i a l ；M o S 2 ；t r i b o l o g i c a lp r o p e r t y ；n a n o p h a s em a t e r i a l s ；a d d i t i v e so fl u b r i c a t i n g o i l s 万方数据