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0 引言

在上世紀(jì)六、七十年代，美國(guó)以及原蘇聯(lián)用黑色炸藥在密封缸體中引爆，先后獲得過(guò)納米金剛石，八十年代我國(guó)中科院化學(xué)物理所也在密封缸體中引爆黑色炸藥獲得了納米金剛石。到本世紀(jì)初，我國(guó)已有十幾家企事業(yè)單位，用爆炸法、爆轟法獲得了納米級(jí)球形顆粒金剛石。納米球金剛石通常用于研磨、拋光，但按一定組份，采取特定的懸浮分散工藝后再添加到潤(rùn)滑油中，特別是添加到發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中使用將會(huì)對(duì)已磨損的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體起到奇特的自動(dòng)修復(fù)效果。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于成功地解決了納米球金剛石在潤(rùn)滑油中的懸浮分散無(wú)沉淀。國(guó)外在上世紀(jì)末，本世紀(jì)初曾有過(guò)試驗(yàn)報(bào)道，后因未解決在潤(rùn)滑油中的懸浮分散而告終。

1 納米球金剛石潤(rùn)滑油

1.1 納米球金剛石的選擇

首先必須選擇1～10 nm的球形顆粒金剛石，最好是選擇用黑色炸藥在密封缸體中引爆的金剛石。因瞬時(shí)的高溫、高壓使碳原子重新聚集、排列就很容易形成粒度均勻的單晶球形顆粒金剛石，其顆粒的球體直徑一般都在2～10 nm之間。

1.2 納米球金剛石的分散

首先將精制后直徑2～10 nm的球金剛石粉末加入到分散劑中，分散劑種類很多，市場(chǎng)有售。然后進(jìn)行強(qiáng)力攪拌，使金剛石表面的各種氣團(tuán)被分散劑所替代，成乳白色，故稱乳化液。待表面氣泡充分排盡，金剛石單晶之間全部被分散劑所隔離開，從而達(dá)到徹底分散金剛石單晶的目的，獲得優(yōu)質(zhì)納米球金剛石乳化液。懸浮分散機(jī)理一是用分散劑通過(guò)化學(xué)作用原理分散到乳化液中，二是納米球金剛石粉末在強(qiáng)力攪拌機(jī)械作用力的物理作用原理下分散在乳化液中。通過(guò)強(qiáng)力攪拌獲得的納米球金剛石乳化液靜置兩年未見金剛石顆粒沉淀物。

1.3 納米球金剛石潤(rùn)滑油的制備

將前已分散在分散劑中的納米球金剛石乳化液按一定體積比加入到相應(yīng)的潤(rùn)滑油中，再經(jīng)過(guò)強(qiáng)力攪拌就獲得了納米球金剛石潤(rùn)滑油。攪拌過(guò)程中讓氣泡要充分排出。

2 納米球金剛石潤(rùn)滑油的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 材料端面高溫、常溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：MMU-10G屏顯示材料端面高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速1000 r/min，試驗(yàn)力1000 N。

2.1.1 高溫試驗(yàn)

起始溫度85℃，終試溫度100℃，摩擦系數(shù)起始0.16，終試的摩擦系數(shù)0.14，試驗(yàn)時(shí)間30 min。

結(jié)論，高溫下納米球金剛石潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明該潤(rùn)滑油適合使用。

2.1.2 常溫試驗(yàn)

起始溫度15℃，30 min時(shí)，溫度升到23℃，45 min時(shí)溫度不足20℃，自始至終平均摩擦系數(shù)為0.142，最終磨塊未測(cè)出磨損量，試驗(yàn)時(shí)間45 min。

結(jié)論，納米球金剛石潤(rùn)滑油在常溫下摩擦系數(shù)保持相對(duì)平衡，以至于未測(cè)出磨損量。

2.2 四球長(zhǎng)摩試驗(yàn)

1)試驗(yàn)儀器。MMW-IP雙顯示立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速1500 r/min，時(shí)間30 min，負(fù)荷400 N。

2)將1.2項(xiàng)中獲得的納米球金剛石乳化液按2%的體積比加入到400SN基礎(chǔ)油中作試驗(yàn)，測(cè)出摩擦系數(shù)0.075～0.1069，球磨痕直徑摩擦磨損量測(cè)試0.71 mm。

3)將1.2項(xiàng)中獲得的納米球金剛石乳化液按4%的體積比添加到400SN基礎(chǔ)油中作試驗(yàn)，測(cè)出摩擦系數(shù)0.075～0.0910，磨痕直徑0.70 mm。

4)用400SN基礎(chǔ)油直接作試驗(yàn)，摩擦系數(shù)0.1025，磨痕直徑0.70 mm。

四球長(zhǎng)摩試驗(yàn)是點(diǎn)接觸摩擦副作用，納米球金剛石乳化液按2%的體積比加入時(shí)，球磨痕直徑摩擦磨損量0.71 mm。而400SN基礎(chǔ)油直接作試驗(yàn)，磨痕直徑摩擦磨損量為0.70 mm優(yōu)于前者。說(shuō)明納米球金剛石潤(rùn)滑油在點(diǎn)接觸的摩擦副中會(huì)起到研磨的作用，因此不適用于軸承摩擦副的使用。

2.3 HQ-1長(zhǎng)摩試驗(yàn)

1)試驗(yàn)設(shè)備：HQ-1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。轉(zhuǎn)速1000 r/min，時(shí)間120 min，負(fù)荷400 N。

2)用400SN潤(rùn)滑油作試驗(yàn)，測(cè)得摩擦系數(shù)0.08～0.09，磨損量0.0017 g。

3)用1.2項(xiàng)中獲得的納米球金剛石乳化液按體積比2%添加到400SN潤(rùn)滑油中，轉(zhuǎn)速800 r/min，負(fù)荷6 kg，溫度室溫，試驗(yàn)時(shí)間8 h，摩擦系數(shù)從0.075隨時(shí)間的延長(zhǎng)不斷下降至0.03，磨塊磨損量0.0018 g。

結(jié)論：通過(guò)8 h的長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)，說(shuō)明磨塊的表面粗糙度降低后，磨塊摩擦系數(shù)從0.075降到了0.03，這就改變了摩擦副的能量消耗，因此在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中會(huì)出現(xiàn)節(jié)約燃油、燃?xì)?，增加輸出功率的效果?/p>

2.4 納米球金剛石潤(rùn)滑油與外國(guó)高級(jí)潤(rùn)滑油的對(duì)比抗磨實(shí)驗(yàn)

圖1 普通鉆臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)

1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：普通臺(tái)鉆。試驗(yàn)條件，轉(zhuǎn)速3150 r/min，壓力2 kg，時(shí)間2 h。

試驗(yàn)方法：在臺(tái)鉆工作臺(tái)面上固定一塊Φ40 mm×5 mm的鑄鐵塊。

在上夾頭塊上夾持一個(gè)Φ20 mm×5 mm的45#鋼，如圖1。

圖2 鑄鐵塊1

2)在鑄鐵塊下塊上表面滴5滴納米球金剛石潤(rùn)滑油，然后壓住、旋轉(zhuǎn)、研磨。2 h后，下塊溫升大約39℃，有輕微磨痕，上塊Φ20 mm×5 mm測(cè)4個(gè)點(diǎn)的磨損量如圖2 ，數(shù)據(jù)如表1。

表1納米球金剛石潤(rùn)滑油鑄鐵塊磨損試驗(yàn)

3)換一副試塊，在鑄鐵塊上表面滴5滴外國(guó)高級(jí)潤(rùn)滑油，然后壓住、旋轉(zhuǎn)、研磨。2 h后，下塊溫升50℃以上，Φ40 mm×5 mm的鑄鐵塊上有明顯拉傷痕跡，上塊Φ20 mm×5 mm，測(cè)4個(gè)點(diǎn)的磨損量如圖3，4個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)如表2。

圖3 鑄鐵塊2

結(jié)論，從表1和表2數(shù)據(jù)看出，對(duì)于平面摩擦副作用而言，納米球金剛石潤(rùn)滑油摩損量低于外國(guó)高級(jí)潤(rùn)滑油的摩損量，也就是說(shuō)，抗磨性前者優(yōu)于后者。

表2國(guó)外高級(jí)潤(rùn)滑油磨損實(shí)驗(yàn)

4)在臺(tái)鉆上作破壞性磨損試驗(yàn)

上塊改用Φ20 mm×5 mm黃銅，下塊用Φ40 mm×5 mm 45#鋼件，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速1000 r/min，壓力4 kg。

用納米球金剛石潤(rùn)滑油滴5滴在45#鋼件塊上表面，壓住、旋轉(zhuǎn)、研磨，50 s時(shí)，因上下塊粘結(jié)自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn)。

換一副上下磨塊，滴5滴外國(guó)高級(jí)潤(rùn)滑油在45#鋼件塊上表面壓住、旋轉(zhuǎn)、研磨。10 s時(shí)，因上下塊粘結(jié)，自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn)。

2.5 往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備：多功能在線測(cè)量材料摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。

作往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)，壓力500 N，往復(fù)行程15 mm，往復(fù)頻率15 Hz，時(shí)間30 min，得到結(jié)果如表3。

表3往復(fù)磨損試驗(yàn)

由此可見，納米球金剛石潤(rùn)滑油具有雙重特性，既有冷卻潤(rùn)滑作用又有修復(fù)磨損作用。

3 納米球金剛石潤(rùn)滑油在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用實(shí)例1

一輛2009年的現(xiàn)代悅動(dòng)，車牌號(hào)粵SZ488R，已行駛21萬(wàn)km，在全高速行駛過(guò)程中，原每公里燃油消耗為0.5元，發(fā)動(dòng)機(jī)噪音大，動(dòng)力不足。于2017年10月底改加納米金剛石潤(rùn)滑油后，行駛3000 km后，發(fā)動(dòng)機(jī)噪音明顯減小，1000 km左右動(dòng)力明顯增加，在全高速行駛時(shí)，燃油消耗降到每公里0.39元，尾氣排放也恢復(fù)到新車狀況。

3.2 應(yīng)用實(shí)例2

一輛建設(shè)JS125-3型摩托車，車牌號(hào)渝A11096已行駛6.5萬(wàn)km，原來(lái)100 km燃油消耗3.2L，最高時(shí)速90 km，改用了納米金剛石潤(rùn)滑油后，100 km燃油消耗降到2.6 L，最高時(shí)速可提升到100 km，噪音比原來(lái)減小，怠速時(shí)尾氣排放明顯減少。

3.3 應(yīng)用實(shí)例3

一輛長(zhǎng)安之星渝A73891已行駛25萬(wàn)km，早已改裝成燃?xì)廛?，?00 km燃?xì)庀? m3，夏季冷卻水溫很容易超警戒，就不能行駛，必須等水溫降下后再行駛。后改加納米金剛石潤(rùn)滑油后，100 km燃?xì)庀慕档?.3 m3，再未出現(xiàn)過(guò)冷卻水溫超警戒的現(xiàn)象。最高時(shí)速還可提高20 km，噪音也有所下降，怠速時(shí)無(wú)尾氣排放。

4 結(jié)論

納米球金剛石潤(rùn)滑油在點(diǎn)接觸的摩擦副中會(huì)起到研磨的作用，因此不適用于軸承摩擦副的使用。在面與面接觸的摩擦副中起到了研磨效應(yīng)，降低接觸面的表面粗糙度，對(duì)已磨損的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體可起到自動(dòng)修復(fù)效果，從而使接觸面更光滑，改善了摩擦副的摩擦系數(shù)，使滑動(dòng)摩擦變成了滾動(dòng)摩擦，因此更適合于各種活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中的摩擦副使用。在汽車、摩托車中都產(chǎn)生了增加輸出功率、減少燃油燃?xì)庀?、降低噪音、減少尾氣排放、延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命等效果。