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1、纳米摩擦学纳米摩擦学 纳米摩擦学（nano tribology）也称为微观摩擦学（micro tribology）或分子摩擦学（molecular tribology），它是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。1 1纳米摩擦学在学科基础、研究方法、实验测试设备和理论分析手段等方面都与宏观摩擦学研究有很大差别 研究仪器：主要是扫描探针显微镜，它包括原子力显微镜、摩擦力显微镜以及专门的微型实验装置 。理论分析方面 ：由分子、原子结构出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦学行为，其理论基础是表面物理和表面化学，采用的理论分析手段主要是计算机分子动力模型 2 2宏观摩擦学：通常是根
2、据材料表明的体相性质在摩擦界面上的反应来表征其摩擦磨损行为，并应用连续介质力学，包括断裂和疲劳理论作为分析的基础。 3 3纳米摩擦学 的研究意义摩擦的物理意义。纳米摩擦学的应用前景纳米材料发展。4 4一、摩擦物理意义的解释电阻电阻R=U/IR=U/I；摩擦系数摩擦系数=f/N;=f/N;5 5纳米摩擦学的特性Bhushan和Koinkar 分别采用球盘摩擦试验机和摩擦力显微镜FFM，对材料的宏观摩擦系数和微观摩擦系数进行了对比试验：微观摩擦系数远远低于宏观摩擦系数。在微观摩擦中，嵌入表面的磨粒少，也减少了犁沟效应对摩擦力的影响。当载荷增加时，微观摩擦系数和微观磨损都显著增加 。 6 6经典摩擦
3、学所说的摩擦系数与接触面积和载荷无关的结论，显然不符合微观摩擦规律。在轻载荷作用下微小面积的滑动表面将具有实现极低摩擦和零磨损的可能性。表面形貌还使得微观尺度的摩擦具有显著的方向性，即沿不同方向滑动所得到的摩擦力大小不同。 7 78 8犁沟摩擦系数经典的摩擦理论，在考虑犁沟效应时，通常是在排除粘着力的条件下测定摩擦系数，分析表面球形粗糙表面产生的犁沟摩擦系数取决于球形半径和压入的深度，锥形粗糙峰的犁沟摩擦系数只与锥角度有关。在微观摩擦学的研究中发现，用圆锥探针在氯化纳基片上滑动，发现犁沟力随时间波动变化，同时前方的材料也出现不均匀移动。9 9粘着效应Guo等人采用摩擦力显微镜对高真空条什下的钨
4、探针和金基片进行摩擦实验，发现明显的韧性行为和粘滑现象。他们根据Bowdon和Tabor的修正粘着摩擦模型中法向力(载荷)和切向力(摩擦力)联合作用下接触面积计算公式，以及接触面积和接触电阻关系式，分析计算了探针和基片在完全塑性接触和零载荷下滑动时摩擦力F与接触电阻R的关系。 1010图中接触面积与接触电阻成反比，因此，随着图中接触面积与接触电阻成反比，因此，随着接触面积增加摩擦力也增加的结论。由于零载接触面积增加摩擦力也增加的结论。由于零载荷下的滑动接触面积上只受到粘着力作用，荷下的滑动接触面积上只受到粘着力作用，因而摩擦力是由粘着效应产生的阻力。因而摩擦力是由粘着效应产生的阻力。1111在
5、静接触中，表面间粘着力往往比外加载荷更为重要。上图再次表明：粘着力对于滑动接触行为的作用大于或不亚于外加载荷的作用。实验证明，甚至在外加载荷为负值时，滑动中仍然出现，一定的摩擦力。这是微观摩擦十分重要的特征。1212界面分子膜粘滑问题（云母,表面力仪，硅液体为润滑剂 ）滑动过程中。摩擦力波动变化。从粘着接触到刚开滑动过程中。摩擦力波动变化。从粘着接触到刚开始滑动，摩擦力稳定增加到最大值即静摩擦力始滑动，摩擦力稳定增加到最大值即静摩擦力FsFs。它表示静态极限剪切应力。然后突然滑动到新的粘它表示静态极限剪切应力。然后突然滑动到新的粘着接触，摩擦力减少到最小值即动摩擦力着接触，摩擦力减少到最小值即
6、动摩擦力FkFk，它表，它表示动态极限剪切应力。示动态极限剪切应力。粘着与滑动的交替过程周而复始，而表面并无磨损粘着与滑动的交替过程周而复始，而表面并无磨损痕迹。此外在达到静摩擦力后，滑动进行非常快痕迹。此外在达到静摩擦力后，滑动进行非常快而由动摩擦转变为静摩擦则是渐变过程如图所而由动摩擦转变为静摩擦则是渐变过程如图所示这种转变需要示这种转变需要5s5s时间。时间。13131414静动摩擦力的数值与分子膜的分子层数和滑动速度有关。当分子层数n减少时，Fs和Fk均增加，交替变化的幅值F=Fs-Fk也增加。而变化频率减少。随着滑动速度v增加，幅值降低，频率增加，直至达到临界滑动速度vc时，粘滑现象
7、消失。此后将以动摩擦力Fk作平稳滑动。 1515二、MEMS中的摩擦问题（应用） 自从1988年第一个微型静电马达诞生后,MEMS的研究受到了人们极大的关注,发展也很快,特别微型的传感器、微型的光学器件已经实用化。但对于含有驱动器的,即有相对回转或移动动作的MEMS装置,还存在相当多的问题,其中一个重要的问题就是摩擦、磨损以及与其相应的性能和寿命问题 1616在宏观世界里在宏观世界里, ,如果一个物体没有什么东西支撑着如果一个物体没有什么东西支撑着, ,就会掉下来就会掉下来, ,这是一个一般性常识。但在微观世界这是一个一般性常识。但在微观世界里里, ,这个常识就不成立了。这个常识就不成立了。比
8、如我们肉眼看不见的尘埃比如我们肉眼看不见的尘埃, ,由于质量很小由于质量很小, ,一直在一直在空中游动着不会掉下来。这是由于尺寸微型化后空中游动着不会掉下来。这是由于尺寸微型化后, ,与尺寸三次方成正比的体积效应与尺寸三次方成正比的体积效应( (如重量、惯性力如重量、惯性力等等) )相对减弱相对减弱, ,而与尺寸二次方成正比的表面效应而与尺寸二次方成正比的表面效应( (如表面摩擦、散热等如表面摩擦、散热等) )上升为主要地位。上升为主要地位。尘埃之所以不会掉下来尘埃之所以不会掉下来, ,就是因为它与空气分子间就是因为它与空气分子间的摩擦力大到了可以与重力平衡。由于这个原因的摩擦力大到了可以与重
9、力平衡。由于这个原因, ,即使在宏观世界里能很好动作的机械即使在宏观世界里能很好动作的机械, ,如果将其尺如果将其尺寸微型化寸微型化, ,它可能就完全不会动它可能就完全不会动, ,或由于效率很低而或由于效率很低而无法实用。无法实用。1717微观条件下,摩擦相对增大是由于与载荷大小无关而与表面积大小成正比的表面力相对增大的缘故。表面力包括吸附液体的表面张力、摩擦产生的静电力、固体间的凝聚力及范德华力等,其中范德华力是无法避免的。范德华力不同于离子键、共价键及金属键产生的力,是中性分子也存在的一种弱电引力。1818根据表面力这一观点根据表面力这一观点, ,只要两表面相互接近只要两表面相互接近, ,
10、就会产就会产生表面力。表面力与接触面上所施加的法向载荷生表面力。表面力与接触面上所施加的法向载荷无关无关, ,即使不加载荷即使不加载荷, ,只要表面相互接近只要表面相互接近, ,表面力也表面力也会使微观表面产生变形会使微观表面产生变形, ,如果表面沿切向移动如果表面沿切向移动, ,也会也会产生摩擦力。产生摩擦力。在微观下在微观下, ,我们所熟悉的库仑法则我们所熟悉的库仑法则, ,即摩擦力与接触即摩擦力与接触面积大小无关面积大小无关, ,与法向载荷成正比的关系就不成立与法向载荷成正比的关系就不成立了。由于了。由于MEMSMEMS装置的尺寸均在微米量级内装置的尺寸均在微米量级内, ,因此因此, ,
11、其中的摩擦问题和宏观条件的摩擦问题完全不同。其中的摩擦问题和宏观条件的摩擦问题完全不同。减小减小MEMSMEMS装置的摩擦磨损装置的摩擦磨损, ,对于提高对于提高MEMSMEMS装置装置的性能和寿命都是十分有意义的。的性能和寿命都是十分有意义的。1919某些生物的行为很值得人们研究借鉴,比如从仿生学的角度,有一种大小仅为1微米的沙门氏菌,尽管它的鞭毛以每分钟高达数万转的高速旋转,但鞭毛的“轴承”也一点不会损坏,其机理必然带有超润滑的性质。2020改善MEMS的方法微机械构件接触时的机械作用力很小，几乎不对机械性能产生作用和影响。摩擦将取决于表面间的分子作用力，即分子的吸引力加剧表面的贴合，启动
12、应力是传统机械接触应力的34倍，表面力和表面粘着能是产生粘着和变形的主要原因。因此控制MEMS系统表面特性是改善摩擦、降低磨损、提高运行稳定性的有效途径 2121 研究工作主要集中在MEMS系统微接触表面间的摩擦、磨损及粘着行为，纳米尺度上的表面改性和分子超薄膜润滑，利用原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(FSM)等探讨MEMS摩擦磨损、固体表面接触和边界润滑的机理等。2222 美国和以色列，研究了微马达用SAM薄膜润滑的摩擦特性，个指出SAM可明显减小启动摩擦和静摩擦，摩擦系数从0.23降到008，显著降低了磨损，在静电致动接触模式下，运行周期可长达105次，降低了对封装环境的要求，在各种
13、有氧和无氧的环境条件下，热稳定温度达到400CO 2323 MEMS纳米摩擦学的研究工作取得了良好的进展，但目前大多数的研究尚处于实验室研究和探索阶段，基体材料的加工、表面物理化学改性、分子薄膜表面润滑等技术为改善MEMS系统的摩擦磨损和润滑提供了可靠有效的技术手段，但由于宏观实验条件和微观环境不同，所得的实验结果有一定程度的差异。 2424 MEMS系统结构的复杂性、工作环境的多变性以及实际测试技术的不完善，对微观摩擦磨损性能的研究须采用不同的实验方法和环境条件，才能正确评价MEMS系统摩擦学的行为特点，为工业设计制造提供准确可靠的摩擦学数据。2525应用实例：有序分子膜是覆盖在固体表面上的
14、分子排列有序而结构致密的单分子层，或者由若干单分子重叠而成的多分子层膜。通过制备方法可以改变有序分子膜的组成结构，它提供了一种依靠表面分子工程来控制摩擦学性能的途径。目前，有些分子膜应用较多的主要是：LB膜和自主装膜（SAM）。2626LB膜是将有机两亲分子在水与空气界面上生成排列高度有序的单分子膜，而后再把它转移到固体表面上形成的超薄有序体系。膜的成膜分子为两亲分子。它不溶于水，但分子的一端具有亲水性，另一端具有亲油疏水性。当两亲分子遇水时，其亲水端钻入水中而疏水端则留在空气中，即这种分子漂浮在水与空气界面之上。典型的两亲分子如脂肪酸。 27272828(a)将两亲分子溶于有机溶剂而后滴加到
15、水面上，待溶剂挥发掉后在水与空气的界面上留下一层单分子。(b)移动障板以压缩界面上的分子。逐渐形成紧密的有序排列。(c)将其向基片表面转移，最常用是采用垂直提升方法。2929分子膜在摩擦学中的应用是作为硬磁盘的润滑剂，在硬磁盘磁记录介质表面利用技术制备一层厚度为1-10nm的全氟聚醚（PFPE）润滑膜，从而改善磁盘与磁头的摩擦磨损性能。3030三、纳米材料纳米材料是80年代初发展起来的新材料，它的奇特性能和广阔的应用前景，被誉为跨世纪的新材料，引起了科学界和企业界的极大关注和一些政府的高度重视，先后被列入国内外高技术研究计划。纳米粒子(100nm)是介于宏观物质与微观原子或分子之间的过渡亚稳态
16、物质，具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应与宏观量子隧道效应等，从而表现出了一些特殊的性质。 3131 纳米材料自1984年诞生以来，其应用远落后于纳米材料的制备研究。随着纳米材料制备工艺的完善和微观摩擦学的发展, 研究发现纳米技术可以使许多传统产品发生根本性的改变，把纳米颗粒或者纳米材料添加到传统材料中，可改进或获得一系列特殊功能和意想不到的结果，这种改进并不见得昂贵，但却使产品附加值更高且更具市场竞争力。3232 随着微观摩擦学的进展，纳米级金属粉作为新型润滑介质添加剂在近年来得到广泛研究和应用，有研究表明纳米金属粉作为添加剂加入润滑油中表现出了极好的极压性能，超细金属粉以适当方式分散于
17、各种润滑油中可形成一种稳定的悬浮液，这种润滑油每升中含有数百万个超细金属粉末颗粒，它们与固体表面相结合，形成一个光滑的保护层，同时填塞微划痕，从而大幅度降低摩擦和磨损，尤其在重载、低速和高温振动条件下作用更为显著。 3333 利用纳米金属粉制成的浓缩液研究了纳米金属抗磨减摩的效果、特点和机理。具有许多一般润滑油添加剂不可比拟的优良性能，作用机理有以下几种观点： (1)、吸附、渗透和摩擦化学反应观点。 (2)、滚珠观点。 (3)、载体作用观点。 (4)、沉积膜观点。 3434 3535STarasov将纳米Cu粉加入到发动机润滑油中，发现在高载荷及高速下，纳米Cu能有效地提高润滑油的抗磨性能，且
18、能降低摩擦。这些结果说明纳米金属粉具有显著改善润滑油抗磨减摩性能的效果。3636俄罗斯利用纳米金刚石作润滑油添加剂生产了牌号为N50A磨合润滑剂，专门用于内燃机磨合。该产品可使磨合时间缩短50-90，同时可提高磨合质量，节约燃料，延长发动机寿命。若用于精密加工机床的润滑，该油品较普通机床油减少用油50。 3737军事装备中的应用：（1）炸药爆炸法生成的纳米金刚石，颗粒大小为315 nm。但有0.51.0 m 的团聚颗粒。 (2) 在试验范围内，含NGAW添加剂在不同油品、不同负荷下均能有效地改善油品的抗磨减摩性能，特别是在较高负荷下改善效果更为明显。 (3) 含NGAW添加剂润滑条件下的摩擦表
19、面存在含纳米金刚石的表面膜。3838尽管将纳米微粒加入到润滑材料中显示了优良的性能，但是其中也有问题存在，如纳米微粒的分散。因为纳米微粒具有大的比表面积，它们很容易就团聚在一起，而且，只要它们团聚在一起，再次分散就会非常的困难。团聚在一起的纳米微粒，非但不能改善润滑油的摩擦学性能，反而会造成很严重的破坏 3939近年来，为了研制新的润滑添加剂，特别是针对非铁金属摩擦副的抗磨添加剂，采用超速粉碎工艺结合抗凝聚技术研制了三种纳米固体润滑添加剂：二硫化鉬、聚四氟乙烯和滑石粉。结果发现在铜一钢摩擦副条件下，纳米级聚四氟乙烯及滑石粉具有较好的抗铜磨损和降低摩擦系数的减摩性能；含硫的添加剂二硫化鉬反而对铜
20、引起不良摩擦的润滑作用。4040汤戈等开展了纳米Al2O3粉末改善环氧树脂耐磨性的研究，利用超声分散法将不同质量的纳米粉末加入到环氧树脂之中，尝试开发具有高防腐蚀性能和耐磨性能的复合涂层材料，解释了纳米Al2O3提高耐磨性能的机理，即纳米颗粒能够提供很大的表面积，从而吸附很多的分子链，使应力分布大大均匀化，减轻了局部区域所受到的摩擦力，能有效地减轻磨损。并确定了较优的纳米氧化铝的添加量。4141我国盐雾腐蚀情况较重地区由于条件恶劣,车辆的腐蚀情况较严重,尤其是重载车辆如大型工程机械等的车体上方转动部分和车体通过齿圈连接,润滑油脂由于雨水的冲刷而所剩无几,起不到防护作用.滚道部位常常发生腐蚀,使
21、上下滚道和滚珠生锈卡死,使转动部位旋转受阻,增大了电机的负荷,严重时甚至会使电机烧毁,致使车辆无法正常工作,造成较大的经济损失.4242在固体润滑剂中,将纳米Al2O3按添加比例分为低(L)、中(M)、高(H)三种情况制备纳米固体润滑干膜,并与普通的润滑干膜一起进行摩擦磨损试验.其摩擦磨损试验结果见图43434444摩擦磨损实验结果表明添加纳米Al2O3粉末在摩擦因数稍有增加的情况下,耐磨性得到了大幅度提高。说明纳米粒子确实改善了普通固体润滑干膜摩擦磨损性能。 4545重载车辆转动部分的齿圈等部位的转动频率相对较低,采用纳米固体润滑干膜对其进行处理后,涂层能有效地隔绝腐蚀介质,同时涂层起到较好
22、的减摩润滑作用.涂层与基体的结合强度较好,平均厚度为15nm左右,所以不会影响车辆的配合尺寸.目前该项技术成果已成功地应用于我国盐雾腐蚀情况较重地区的10余种型号500多辆重载车辆,取得了较好的使用效果和经济效益.4646众多学者认为纳米金刚石可用作精抛光材料,但由于其易发生团聚,很难将它分散成单独的纳米颗粒,故未能真正获得应用美国用作磁头抛光的金刚石颗粒为微米粉,磁头抛光后的表面划痕不易去掉,且有镶嵌的金刚石颗粒。 4747清华大学,雒建斌 温诗铸等，进行了纳米金刚石用作抛光材料的研究,着重解决了纳米金刚石的分散性,使它能在矿物油中悬浮,并在研磨过程中能抗静电,并进行了磁头和高分辨率镜头抛光
23、的实际应用试验。4848纳米金刚石悬浮液能消除磁头表面的划痕,表面没有颗粒镶嵌,大大改善了磁头抛光质量,其抛光性能比美国同类金刚石悬浮液要好,建议在抛光过程中使用纳米金刚石悬浮液,试验结果证实了纳米粒子可用于超精表面加工的设想,为纳米金刚石获得应用向前迈出了一步。 4949在目前的汽车制动材料市场中，半金属摩擦材料所占的分额最重，它的生产加工工艺也趋于完善。由于摩擦材料对汽车制动行为起着关键的作用，因此，理想的摩擦材料，必须有稳定的摩擦系数，良好的热稳定性和较长的寿命，同时要对对偶盘（鼓）的损伤要小，制动无噪音。 5050由于高分子材料通常不能承受高的应力和高的温度，为了提高高分子材料的屈服强
24、度，都采用网状结构的热固性树脂，一般为各种改性的酚醛树脂。同时，为了达到理想的制动效果和综和机械性能，还需加入各种纤维，润滑材料，磨料以及填料，而其中的高聚物基体材料几乎只是作为传递或分散载荷的媒介。5151在半金属摩擦材料中炭化硅是典型的磨料，一般而言，使用磨料是为了提高摩擦材料在高温时的摩擦性能。在以下的试验中，将纳米SiC添加到半金属摩擦材料中，通过对比试验，研究纳米SiC对摩擦材料摩擦磨损性能的影响。 5252为纳米为纳米SiCSiC粉体的粉体的SEMSEM显微照片（放大显微照片（放大5 5万倍）万倍） 53535454555556565757用纳米SiC代替普通SiC将使混合粉体的比
25、表面积成倍的增加，需要更多的树脂材料才能达到均匀混合。这是试2#和3#磨损很大的原因之一。5858将作为填料的纳米将作为填料的纳米CaCO3CaCO3粉体颗粒混合添加到半金粉体颗粒混合添加到半金属摩擦材料中，期望通过纳米粒子的混入，使摩擦属摩擦材料中，期望通过纳米粒子的混入，使摩擦材料组分的微观界面结构得到改善材料组分的微观界面结构得到改善， 595960606161 纳米摩擦学的研究才刚刚起步。但它必定会有广阔的应用空间。6262目前,针对纳米润滑油添加剂摩擦学性能的研究已经受到了广泛关注。通过对TiO2、Cu等纳米粒子在润滑油中润滑性能的研究发现,纳米添加剂有效地改善了润滑油品的减摩、抗磨
26、、极压特性。 6363应用纳米材料作为润滑油添加剂涉及纳米摩擦学、润滑学、纳米材料学、现代表面学等许多先进学科。传统的制备方法是首先制备出纳米微粒,然后加适当的分散剂,此法不能制备易氧化的物质,粒径愈小,困难愈大,从而限制了这些物质的研究和应用。其次,制备出的纳米微粒表面很快会钝化,表面活性下降,影响到和分散剂之间的相互作用,不利于稳定悬浮。 6464近年来发现利用在溶液中原位合成表面修饰纳米微粒的方法可以有效解决上述问题,即纳米微粒的形成和表面修饰剂的吸附一次完成。中科院兰州化学物理研究所用此法合成了一系列性能优异的纳米润滑油添加剂。6565Cu、TiO2、Al2O3 三种有机复合纳米添加剂
27、进行了比较,研究结果表明,有机复合纳米Cu添加剂具有很好的极压性能,与其他两种纳米添加剂相比,能显著降低钢件摩擦面间的磨损,防止卡咬、烧结现象发生。66666767三种纳米添加剂都是采用在溶液中原位合成表面修饰纳米微粒的方法,此方法降低了纳米粒子表面活性,增强了其在油品中的分散稳定性。由纳米粒子的TEM照片可以看出,所采用的样品颗粒大小均匀,粒径分布窄,无较大团聚现象出现。纳米Cu、TiO2、Al2O3 在化学纯液体石蜡中分散稳定性良好,其中纳米Cu的最大加量为3. 0% ,纳米TiO2、Al2O3最大加量为1. 5%。6868摩擦过程中,在机械能作用下,摩擦副表面缺陷增多,剥离出具有活性的新
28、鲜金属表面,激发出外逸电子,形成高强度电场,出现瞬时高温、高压等。这些效应激发和促进了摩擦表面间物理化学作用的进行,使周围介质与摩擦表面相互作用,在表面形成保护膜和/或改性层,减缓了钢件的摩擦和磨损。 69697070添加0. 5%纳米Cu样品的磨损量最低,与参照样品液体石蜡相比,试验钢环和钢块的磨损量分别降低了44和47倍,明显减轻了金属表面的磨损状况。纳米Al2O3、纳米TiO2 也不同程度降低了钢件表面的磨损,但与纳米Cu相比,磨损量较大。三种纳米添加剂在边界润滑条件下都起到了对金属表面的保护作用,其中纳米Cu添加剂对减少摩擦副表面的磨损效果最佳。7171为了进一步对比三种纳米添加剂的摩
29、擦学性能为了进一步对比三种纳米添加剂的摩擦学性能, ,对对试验后的钢块进行了表面形貌分析试验后的钢块进行了表面形貌分析, ,所用仪器为兰所用仪器为兰州化物所州化物所TSM - 5600LVTSM - 5600LV扫描电镜。试验完钢块磨扫描电镜。试验完钢块磨损表面形貌见图损表面形貌见图1212。由图看出由图看出, ,在边界润滑条件下在边界润滑条件下, ,液体石蜡参照样试验液体石蜡参照样试验完的两摩擦面较高完的两摩擦面较高, ,微凸体将会直接接触微凸体将会直接接触, ,没有得到没有得到保护。钢块表面的粘附磨损和磨料磨损非常严重。保护。钢块表面的粘附磨损和磨料磨损非常严重。纳米纳米CuCu样品试验完
30、的钢块表面几乎没有太大的磨样品试验完的钢块表面几乎没有太大的磨损损, ,纳米纳米Al2O3Al2O3、纳米、纳米TiO2 TiO2 试验完的钢块表面有粘试验完的钢块表面有粘附磨损附磨损, ,纳米纳米Al2O3 Al2O3 钢块表面金属碎片剥离较为严钢块表面金属碎片剥离较为严重。重。72727373从含金属类纳米添加剂的摩擦学机制看从含金属类纳米添加剂的摩擦学机制看 。摩擦过。摩擦过程中在高剪切力作用下程中在高剪切力作用下, ,纳米微粒的核壳结构将被纳米微粒的核壳结构将被破坏破坏, ,纳米微粒在金属表面形成致密的固体反应薄纳米微粒在金属表面形成致密的固体反应薄膜膜, ,纳米固体反应薄膜有利于承载
31、并且有效地防止纳米固体反应薄膜有利于承载并且有效地防止了接触齿面的磨损。根据上述试验结果证明了接触齿面的磨损。根据上述试验结果证明, ,在低在低负荷高转速条件下负荷高转速条件下, ,纳米纳米CuCu在金属表面形成的固体在金属表面形成的固体反应薄膜相较于纳米反应薄膜相较于纳米Al2O3Al2O3、纳米、纳米TiO2 TiO2 固体反应固体反应薄膜更加稳定薄膜更加稳定, ,与活性元素与活性元素S S和和P P形成的化学反应膜形成的化学反应膜具有很好的协同效应。具有很好的协同效应。综上所述综上所述, ,三种纳米添加剂在试验过程中都能不三种纳米添加剂在试验过程中都能不同程度起到降低摩擦及磨损的作用。其
32、中同程度起到降低摩擦及磨损的作用。其中, ,纳米纳米CuCu添加剂摩擦学性能明显优于其他两种纳米添加剂。添加剂摩擦学性能明显优于其他两种纳米添加剂。7474纳米金刚石材料在汽车中的应用及研究纳米材料是指尺寸为0. 1 m 以下的材料,由于纳米材料很细小,它对摩擦副零件会产生极其深远的影响。在汽车生产中,摩擦副零件的加工精度达到10m 就应当说是很高的精度了。7575变速箱中的齿轮表面尺寸精度、啮合精度很难达变速箱中的齿轮表面尺寸精度、啮合精度很难达到到10 m10 m。但以纳米尺寸作计量单位。但以纳米尺寸作计量单位10 m10 m就意味就意味着着10 000 nm ,10 000 nm ,因此
33、因此, ,从纳米的角度来看从纳米的角度来看,10 m ,10 m 的的零件表面仍然是很高的波峰、波谷零件表面仍然是很高的波峰、波谷, ,这种摩擦副零这种摩擦副零件在传递力矩的运动过程中件在传递力矩的运动过程中, ,就会因接触面的不均就会因接触面的不均匀产生微米级的金属断裂下来进入润滑油或润滑匀产生微米级的金属断裂下来进入润滑油或润滑脂中脂中, ,使润滑油或润滑脂变黑使润滑油或润滑脂变黑, ,人们通常则把这种现人们通常则把这种现象称为磨损。长期下去象称为磨损。长期下去, ,磨损加重形成了磨擦副零磨损加重形成了磨擦副零件的配合精度恶化件的配合精度恶化, ,直到无法使用时就必须进行更直到无法使用时就
34、必须进行更换换, ,这就是摩擦副零件的使用寿命。这就是摩擦副零件的使用寿命。7676我国汽车摩擦副零件的使用寿命在20 104 km 左右,到时就将全部换新,也就是通常所说大修,大修时,即使是全部更换零件,也会使燃料消耗明显增加。出厂为8 L/ km油耗的汽车到行驶10 104 km 后,燃料消耗量增加10 %是普遍现象,行驶到20 104 km 后,燃料消耗量增加20 %也不足为奇。同时还会带来尾气排放污染物明显增加,对环境造成恶劣影响。77771 纳米金刚石材料在汽车中的应用实例纳米金刚石材料经超级分散到1 nm3 nm 后,将其配制成一种乳化液, 该乳化液密度为8 400 kg/ m3
35、8 900 kg/ m3 ,将其加入到润滑油中,然后添加到发动机润滑油箱中,出现了下列效果。78781 1. . 1 1 一辆马自达新轿车一辆马自达新轿车, ,行驶不到行驶不到1 101 104 4 km , km ,将纳将纳米金刚石材料乳化液加入到润滑油箱后米金刚石材料乳化液加入到润滑油箱后, ,行驶行驶2 2 10104 4 km km 润滑油没有任何变色润滑油没有任何变色, ,仍然很清澈、明亮。仍然很清澈、明亮。行驶行驶4 104 104 4 km km 后后, ,润滑油变黑润滑油变黑, ,但放出来的黑油中但放出来的黑油中无可见金属沉淀物及油泥。无可见金属沉淀物及油泥。1 1. . 2
36、2 一辆行驶一辆行驶17 1017 104 4 km km 的桑塔纳轿车的桑塔纳轿车, ,先将其加先将其加入到美孚润滑油中入到美孚润滑油中, ,再进行更换发动机润滑油再进行更换发动机润滑油, ,行驶行驶3 000 km ,3 000 km ,水温对比水温对比, , 明显降低明显降低15 15 20 20 , , 燃料燃料消耗量下降消耗量下降10 %10 %15 % ,15 % ,爬坡有力爬坡有力, ,尾气排放明显尾气排放明显减少减少, ,冬季冷启动怠速稳定冬季冷启动怠速稳定, ,启动迅速。启动迅速。79791. 3 一辆行驶19 104 km 的长安面包车, (渝AD4707) ,100 km
37、 油耗高达9 L , 将其加入后试验测试, 行驶4 000 km后,100 km 油耗为7. 8 L 。1. 4 一辆羚羊出租车(渝A T0088) ,将其加入后,竟然出现了令人惊奇的现象, 在水箱无水的情况下, 汽车跑了20 km还未出现发动机抱轴、抱死等现象。但是因高温影响还是烧坏了橡胶垫圈,只花了50 元,汽车就修好继续使用。80801. 5 一辆行驶4 104 km 的大客车,在发动机的润滑油中加入了该乳化液,出现噪音降低,振动减少,冷却水温下降,尾气排放明显减少的现象。1. 6 一辆载重600 Kg的长安货车,原冬季冷启动至少要10 min以上,爬坡必须用2 档。在发动机的润滑油中加
38、入纳米金刚石乳化液后,冬季冷启动不超过2 min ,爬坡时用3 档就可以了。8181纳米金刚石是一种超硬物质。纳米金刚石硬度为纳米金刚石是一种超硬物质。纳米金刚石硬度为10 600 kg/ mm10 600 kg/ mm2 2 , ,是地球上最硬的物质是地球上最硬的物质, ,外观形状外观形状为球形为球形, ,将其分散为将其分散为1 nm1 nm3 nm 3 nm 混入润滑油中混入润滑油中, ,每每升含量高达升含量高达1 0181 0181 021 1 021 颗颗, ,它们能自动填充到摩它们能自动填充到摩擦副零件的显微凹槽中擦副零件的显微凹槽中, ,使摩擦副零件的磨损微粒使摩擦副零件的磨损微粒
39、从微米级的金属屑降到了纳米级的金属屑从微米级的金属屑降到了纳米级的金属屑, ,从而行从而行驶驶4 104 104 4km km 放出的润滑油中放出的润滑油中, ,无油泥及可见金属无油泥及可见金属屑。在发动机缸体内屑。在发动机缸体内, ,凡是有间隙的地方都无法产凡是有间隙的地方都无法产生磨擦生磨擦, ,在接触点上在接触点上, ,其磨损以纳米级进行研磨扩散其磨损以纳米级进行研磨扩散, ,经几千公里研磨后经几千公里研磨后, ,缸壁与活塞环之间的间隙达到缸壁与活塞环之间的间隙达到了纳米级的高精度配合了纳米级的高精度配合, ,其密封效果达到了从未有其密封效果达到了从未有过的高精度过的高精度, ,从而降低
40、了燃料消耗从而降低了燃料消耗, ,增加了动力输出增加了动力输出, ,减少了尾气排放减少了尾气排放 . .8282多元多层纳米膜活塞环活塞环是汽车发动机中重要零件，它通常用球墨铸铁、合金铸铁或不锈钢制造。为了提高活塞环的耐磨性，研究者采用离子渗氮、镀铬、沉积氮化钛、氮化铬涂层等方法进行表面处理，取得了较好的效果。 8383随着发动机转速的提高，活塞环与气缸套之间的摩擦速度提高，磨损速率随之增大，因此需要进一步提高活塞环的耐磨性。为此，采用离子镀表面处理技术，在活塞环表面获得多元多层纳米膜，研制了一种新型多元多层纳米膜活塞环。该多元多层纳米膜组织致密，与基体结合良好，硬度高，有优良的耐磨性，可提高
41、活塞环的使用寿命。84848585离子镀设备，其工作原理如图所示工作原理：真空室接地作阳极，弧电源是具有陡降伏安特性的低电压、大电流电源。在真空室内采用真空弧光放电技术，在阴极材料表面产生弧光辉点，使阴极材料蒸发形成原子和离子。在电场作用下，原子和离子束高速轰击工件表面。与此同时向真空室内通入反应气体，即可在工件表面形成具有优良性能的涂层。阴极材料（也称靶材）一般采用钛、铬、锆等金属，常用反应气体为氮气和碳氢化合物气体。获得的涂层有TiN，CrN，TiC，ZrN等。86861号活塞环和05 号刮片表面的镀铬层平均厚度分别为143和145微米。 878702,03号活塞环04号活塞环表面的渗氮层
42、平均厚度分别为117,49,78 微米。88888989用显微硬度计测得多元多层纳米膜的显微硬度采用涂层附着力划痕试验机对1400-2170HV,涂层的结合力进行了测试：涂层破裂临界载荷为31-32N,909091919292通过试验考察纳米SiO2 作为润滑油添加剂在菜籽油中的高温减摩抗磨性能。1试验材料及方法试验材料及方法1. 1试验材料试验材料基础油: 菜籽油的运动黏度为35 mm2 / s，(40 ) ,密度为0.920 g/ cm3 , 闪点为333 ,凝点为:- 25 。添加剂:纳米SiO2 是由浙江舟山市普陀升兴纳米材料开发公司提供,其主要性能如表1所示。93939494高温摩擦
43、磨损试验是在高温摩擦磨损试验是在SRVSRV多功能试验机上进行多功能试验机上进行的的, ,采用高温恒载和连续加载采用高温恒载和连续加载2 2种试验方法种试验方法, ,高温恒载试验方法高温恒载试验方法: : 将试块放在将试块放在SRV SRV 试验台上试验台上, ,并并在试块表面涂覆在试块表面涂覆0.1 mL 0.1 mL 的润滑剂。试验时间的润滑剂。试验时间2 2 min,min,振动频率振动频率50 Hz,50 Hz,振动幅度振动幅度110 mm110 mm和试验负荷和试验负荷50 N,50 N,试验温度分别设定为试验温度分别设定为100 100 、200 200 、300 300 、400
44、 400 和和500 500 。当试验参数设定后。当试验参数设定后, ,加热装加热装置开始自动加热置开始自动加热, ,当加热达到当加热达到第一个设定温度时第一个设定温度时, ,试验自动开始试验自动开始, 2 min, 2 min后试验自后试验自动停止动停止, ,加热装置重新开始自动加热加热装置重新开始自动加热, ,当加热温度达当加热温度达到下一个设定温度时到下一个设定温度时, ,试验自动开始试验自动开始, ,这一过程重复这一过程重复进行进行, ,直到设定试验温度试验完为止直到设定试验温度试验完为止. .95959696图3给出了添加1.0 wt%纳米SiO2 和菜籽油在不同温度下的摩擦因数随试
45、验时间的变化曲线。可以看出,当试验温度不大于200 时,纳米SiO2并没有改善菜籽油的减摩性能,摩擦因数与菜籽油接近。但当试验温度大于200 时,纳米SiO2 的摩擦因数低于菜籽油,特别是在试验温度500 , 纳米SiO2 仍保持较低的摩擦因数,约为0.16,而此时菜籽油已失去润滑作 用。这表明纳米SiO2 能非常明显地改善菜籽油的高温减摩性能。9797图4给出了100500 连续升温试验后菜籽油和纳米SiO2 的磨损体积变化。可以看出,连续升温试验后,纳米SiO2 的磨损体积比菜籽油的磨损体积降低了约84% ,这说明纳米SiO2 在试验条件下能明显改善菜籽油的高温抗磨性能。98989999由
46、上述试验数据可以看出,纳米SiO2 在较低温度和较低负荷条件下对菜籽油的减摩和抗磨性能没有明显改善,但在高温和高负荷作用下,纳米SiO2能非常明显地改善菜籽油的高温减摩抗磨性能,也就是说,纳米SiO2 能改善菜籽油在苛刻润滑条件下的摩擦学性能。100100图5和图6分别给出了200 和500 连续加载试验条件下,菜籽油和110 wt%纳米SiO2 在不同载荷下的摩擦特性曲线。可以看出,在200 时,当试验负荷不大于100 N时,纳米SiO2 的摩擦因数略比菜籽油的高,但当试验负荷为300 N和500 N时,纳米SiO2 的摩擦因数与菜籽油的十分相似。 101101102102当试验温度为500
47、 时,在低负荷下(负荷不大于100N)时,纳米SiO2 的摩擦因数与菜籽油的十分相似,但当试验负荷为300 N和500 N时,纳米SiO2 的摩擦因数明显低于菜籽油的摩擦因数,特别是在500N时,纳米SiO2 能非常明显地改善菜籽油的减摩性能。103103104104在500 连续加载试验后, 菜籽油和添加1.0 wt%纳米SiO2磨损表面的二维和三维形貌图如图7、8所示。可以看出,不含添加剂的菜籽油磨痕较宽,磨损部位形成了明显的凹坑,深度达到100m。添加1.0 wt%纳米SiO2 磨损后磨痕宽度较小,虽然有较为明显的犁沟,但磨痕最大深度只有20m,远远小于菜籽油。从表面形貌分析可知,添加了纳米SiO2 的润滑油,在高温、高载荷的情况下其耐磨性能大大提高。105105106106107107
