(1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院 上海 200122；2.中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部 上海 200540)

據(jù)統(tǒng)計，全世界1/3的一次性能源的損耗是由摩擦磨損造成的，此外摩擦磨損還會導致設備材料失效，而潤滑材料可以有效減緩摩擦磨損[1]。近年來，碳納米管由于其許多優(yōu)異性能在很多領域得到了廣泛的應用，而碳納米管的摩擦學性能也同樣受到關注[2-6]。LIU等[7]研究表明，相比于基礎脂，添加碳納米管的潤滑脂的抗磨性能提升了50%。 MOHAMED等[8]則發(fā)現(xiàn)，添加碳納米管的潤滑脂的抗磨性能提升了63%，摩擦因數(shù)降低了89%，極壓性能提升了52%。姜鵬等人[9]還探究了碳納米管的添加量對潤滑材料性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當添加量為0.005%(質(zhì)量分數(shù))時，潤滑油的抗磨性能提升了57%。碳納米管有很好的減摩抗磨性能，但是由于其表面能高，在潤滑油里的分散性往往不好，一直限制了其使用[10]。陳傳盛等[11-12]發(fā)現(xiàn)，硬脂酸修飾的碳納米管在潤滑油中的分散能力增強，碳納米管和硬脂酸在基礎油中的質(zhì)量分數(shù)分別為0.15%～0.20%和0.40%時，潤滑油具有最優(yōu)的減摩和抗磨性能。

本文作者以碳納米管為添加劑制備了NLGI 2號鋰基潤滑脂，并探究了碳納米管含量、管徑及管長對其摩擦學性能的影響，以及碳納米管的減摩抗磨機制。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑：PAO8合成油為雪佛龍菲利浦化學公司生產(chǎn)的工業(yè)純產(chǎn)品；十二羥基硬脂酸鋰為山東金宇化工有限責任公司生產(chǎn)的工業(yè)純產(chǎn)品；碳納米管分別來自深圳三順中科公司以及深圳納米港公司。其中型號為CNTs5、CNTs10、CNTs20、CNTs40以及CNTs100的產(chǎn)品來自深圳三順中科公司，型號為S-1020、L-1020、S-2040、L-2040、S-4060、L-4060的產(chǎn)品來自深圳納米港公司，其管長管徑如表1所示。幾種型號碳納米管的電鏡對比圖如圖1所示。

表1 不同碳納米管的管長管徑

圖1 不同管徑碳納米管電鏡圖

碳納米管及磨斑微觀形貌使用日本日立高新技術公司SU-1510掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀測；摩擦磨損試驗在廈門天機自動化有限公司的MS-10A四球摩擦磨損測試機上進行。

1.2 試驗方法1.2.1 潤滑脂的制備

試驗中使用的2號鋰基潤滑脂的制備過程如下：首先制備質(zhì)量分數(shù)為12%的十二羥基硬脂酸鋰的基礎脂(基礎油為PAO8)，使用三輥研磨機將冷研磨處理2次，然后將添加劑超聲分散在基礎油中0.5 h，最后使用基礎油將基礎脂稀釋到稠化劑質(zhì)量分數(shù)為10%，再用三輥機研磨3次得到潤滑脂樣品。

1.2.2 潤滑脂摩擦學性能測試

使用四球摩擦磨損測試機測定潤滑脂的摩擦學性能，試驗溫度設定為(75±2) ℃，轉(zhuǎn)速設定為(1 200±50) r/min，載荷設定為(392±2)N，時間為1 h。每個樣品測試3次，摩擦因數(shù)和磨斑直徑取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同碳納米管含量下潤滑脂的摩擦學性能

不同CNTs5質(zhì)量分數(shù)下潤滑脂的摩擦因數(shù)測試結(jié)果如圖2所示。可以看出：隨碳納米管質(zhì)量分數(shù)的增加，潤滑脂的摩擦因數(shù)先減少，當碳納米管質(zhì)量分數(shù)為0.05%時，潤滑脂的摩擦因數(shù)最小，為0.065，與基礎脂的摩擦因數(shù)0.084相比，下降了22.6%；而隨著碳納米管質(zhì)量分數(shù)的進一步增加，潤滑脂的摩擦因數(shù)開始變大，這可能主要是因為隨著碳納米管含量提高，其在潤滑脂中的聚集程度更大。但整體結(jié)果顯示碳納米管可以使基礎脂的摩擦因數(shù)降低，潤滑脂的減摩性能得到一定程度的提高。

圖2 不同質(zhì)量分數(shù)CNTs5潤滑脂的摩擦因數(shù)(392 N, 1 200 r/min,75 ℃,1 h)

不同含量添加劑潤滑脂的摩擦因數(shù)數(shù)值隨時間變化的結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯夯A脂的摩擦因數(shù)曲線在整個摩擦過程起伏較大，平均摩擦因數(shù)也最大；隨著碳納米管CNTs5添加量的增加，摩擦因數(shù)降低；而當碳納米管質(zhì)量分數(shù)為0.05%時，摩擦因數(shù)最低，而且摩擦因數(shù)曲線整個測試過程也最為平穩(wěn)；但當碳納米管質(zhì)量分數(shù)為1.00%時，摩擦因數(shù)曲線出現(xiàn)最大的波動，這可能是碳納米管在潤滑脂出現(xiàn)聚集，而使得碳納米管在潤滑脂中分散不均勻造成的。

圖3 不同質(zhì)量分數(shù)CNTs5潤滑脂的摩擦因數(shù)曲線(392 N, 1 200 r/min,75 ℃,1 h)

試驗測試了幾種不同質(zhì)量分數(shù)碳納米管CNTs5潤滑脂樣品潤滑下的磨斑直徑，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同含量CNTs5潤滑脂的磨斑直徑(392 N, 1 200 r/min,75 ℃,1 h)

由圖4可以看出：磨斑直徑隨碳納米管添加量的增加也是呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；當碳納米管質(zhì)量分數(shù)為0.05%時，磨斑直經(jīng)為0.548 mm，下降幅度為19.7%；但是隨著碳納米管含量的進一步上升，磨斑直徑逐漸變大，潤滑脂的抗磨性能下降；而且當碳納米管質(zhì)量分數(shù)進一步上升到1.00%時，磨斑直徑顯著升高為0.709 mm，甚至高于未添加碳納米管的基礎脂，證明此時碳納米管已經(jīng)影響到了基礎脂自身的抗磨性能?？赡艿脑蚴翘技{米管添加量的上升導致碳納米管彼此聚集，從而在潤滑脂中分散不均勻，最終導致抗磨性能的下降。

2.2 添加不同管徑碳納米管的潤滑脂的摩擦學性能

當潤滑脂制備工藝不變，保持碳納米管質(zhì)量分數(shù)為0.05%，對添加不同管徑碳納米管的潤滑脂樣品的摩擦因數(shù)進行了測試，結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，碳納米管的管徑對碳納米管減摩性能的影響不大，在管徑較大時摩擦因數(shù)稍微變大。5種管徑碳納米管潤滑脂摩擦因數(shù)曲線在整個摩擦過程中變化的情況，結(jié)果如圖6所示，可見4種碳納米管潤滑脂的摩擦因數(shù)曲線波動都不大，僅僅含碳納米管CNTs100的潤滑脂樣品在摩擦過程后期摩擦因數(shù)曲線有明顯上升趨勢。

圖5 添加不同管徑碳納米管的潤滑脂的摩擦因數(shù) (0.05%, 392 N,1 200 r/min,75 ℃,1 h)

圖6 添加不同管徑碳納米管的潤滑脂的摩擦因數(shù)曲線 (0.05%,392 N,1 200 r/min,75 ℃,1 h)

試驗對比了含不同管徑碳納米管潤滑脂的抗磨性能，對比幾種樣品測試后的磨斑大小，結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹剑w趨勢為碳納米管直徑越大，磨斑直徑也越大。

使用掃描電鏡對各樣品潤滑下的磨痕進行了測試對比，結(jié)果如圖8所示。可以看出：含不同管徑碳納米管樣品潤滑下的磨斑都呈現(xiàn)橢圓形，都呈現(xiàn)出中間磨損嚴重，而兩側(cè)磨損則相對較輕。對比磨斑中心，可以看到對于管徑最小的CNTs5樣品，其磨痕呈現(xiàn)溝壑狀，犁溝狀磨痕間距小，溝壑深。但是隨著碳納米管的管徑的增加，磨痕溝壑深度降低，間距變大。

圖7 添加不同管徑碳納米管的潤滑脂的磨斑直徑 (0.05%, 392 N,1 200 r/min,75 ℃,1 h)

圖8 添加不同管徑碳納米管的潤滑脂潤滑下的磨斑電鏡圖(0.05%,392 N,1 200 r/min,75 ℃,1 h)

2.3 添加不同管長碳納米管的潤滑脂的摩擦學性能

試驗同時考察了碳納米管的長度對其潤滑性能的影響。根據(jù)之前的結(jié)果選擇碳納米管的質(zhì)量分數(shù)為0.05%。試驗首先考察了幾種添加不同管長碳納米管的潤滑脂在減摩性能上的差異，結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹剑技{米管的長度對其潤滑性能的影響較大，總的趨勢呈現(xiàn)出管徑長的碳納米管具有更加優(yōu)異的減摩性能。

試驗同時對比了6種不同長度碳納米管樣品在抗磨性能上的差異，結(jié)果如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，碳納米管的管長對其抗磨性能有一些影響，主要表現(xiàn)為管徑較長的樣品磨斑相對更小，抗磨性能也更優(yōu)異。

利用掃描電子顯微鏡對含不同管長碳納米管潤滑脂潤滑下的磨斑進行測試，結(jié)果如圖11所示。可以發(fā)現(xiàn)，含不同長度碳納米管的潤滑脂摩擦后磨斑的形貌相差不大，由此可見，管長對碳納米管潤滑脂的摩擦學性能影響較小。

圖9 添加不同長度碳納米管的潤滑脂的摩擦因數(shù)(0.05%, 392 N,1 200 r/min,75 ℃,1 h)

圖10 添加不同管長碳納米管的潤滑脂潤滑下的磨斑直徑 (0.05%,392 N,1 200 r/min,75 ℃,1 h)

圖11 添加不同管長碳納米管的潤滑脂潤滑下磨斑電鏡圖(0.05%,392 N,1 200 r/min,75 ℃,1 h)

2.4 碳納米管的潤滑機制

從圖8和圖11所示的部分磨斑形貌SEM圖中，可以看出磨斑的犁溝中有少量黑色斑點，SEM分析結(jié)果表明是碳的成分。這表明摩擦過程中碳納米管可能填充到摩擦副表面的微凸體中，在摩擦過程中阻止了微凸體之間的接觸，降低了摩擦副之間的摩擦和磨損。

文中還探究了碳納米管對潤滑脂皂纖維的影響，其SEM結(jié)果如圖12所示。圖12(a)所示是添加質(zhì)量分數(shù)0.05%CNTs5后所形成的皂纖維，而圖12(b)所示是添加質(zhì)量分數(shù)1.00%CNTs5后所形成的皂纖維?？梢钥闯觯寒擟NTs5含量較低時，皂纖維較為清晰，這表明CNTs5可以發(fā)揮減摩抗磨作用；而當CNTs5含量較高時可以看到碳納米管，而皂纖維則有更多團聚現(xiàn)象。

圖12 含CNTs5潤滑脂皂纖維形貌

為了深入探討碳納米管作為脂潤滑添加劑的潤滑機制，文中還進行了磨斑的XPS分析，結(jié)果如圖13所示?？梢姡篊1s峰在284.8 eV和288.5 eV處分別歸屬于sp3C(C-C)以及sp2C(C=C)[13]，這說明潤滑膜上有碳納米管存在，碳納米管在摩擦表面填充；O1s峰里531.6 eV處可歸屬于氫氧化物，而529.8 eV處則可以歸屬于氧化物[14]；結(jié)合Fe2p峰里710.6 eV和724.6 eV處明顯歸屬于氧化鐵[15]，表明摩擦膜中有鐵的氧化物以及氫氧化物等。這些潤滑膜在摩擦過程中起到減摩和抗磨的作用。

圖13 磨斑的XPS分析結(jié)果 (0.05%,392 N,1 200 r/min,75 ℃,1 h)

根據(jù)以上試驗結(jié)果及XPS分析結(jié)果，碳納米管減摩抗磨作用機制推測如下：碳納米管根據(jù)尺寸效應被填充到摩擦副表面的微凸體中[16]，使得表面的粗糙度降低，潤滑狀態(tài)為邊界潤滑，潤滑脂的減摩性能得到提升；碳納米管潤滑過程中處于受力點，阻礙了或者減緩了摩擦副表面結(jié)構(gòu)直接接觸；而碳納米管的優(yōu)良力學性質(zhì)使其可以承受較長時間的摩擦，因而提升了潤滑脂的抗磨性能(如圖14所示)。XPS分析結(jié)果顯示潤滑膜中確實有碳納米管的存在，而碳納米管與氧化鐵等邊界膜起到減摩抗磨的作用。

圖14 含碳納米管潤滑脂潤滑作用機制

碳納米管在潤滑脂中的添加量較小時，可以起到較好的潤滑作用。但是當添加量較高時，碳納米管會發(fā)生團聚，而摩擦副表面會集聚過多的碳納米管。過度纏繞的碳管反而會增大接觸點的表面粗糙度，而且會阻礙潤滑油膜的形成，因此潤滑脂的摩擦學性能反而會下降。碳納米管的管徑越小，在摩擦過程前期越早被填充到凹槽中，但是同時負載壓力的存在，管徑越大的碳納米管所在接觸點充當磨粒的作用，對接觸表面進行打磨，因此管徑越大，摩擦后表面磨斑中的磨痕間距越大。

3 結(jié)論

(1)碳納米管在潤滑脂中可以起到較好的潤滑作用，隨著碳納米管添加量的增加，潤滑脂的摩擦學性能先提高然后下降，碳納米管質(zhì)量分數(shù)為0.05%的潤滑脂的摩擦學性能最佳。

(2)添加管徑小、管長大的碳納米管潤滑脂具備更佳的摩擦學性能。

(3)含碳納米管潤滑脂的潤滑作用機制為：碳納米管填充到摩擦副表面凹槽改變了潤滑脂的摩擦狀態(tài)，同時碳納米管的管狀結(jié)構(gòu)起到一定的潤滑及抗磨作用；管徑小、管長大的碳納米更輕易被填充到凹槽。

(4)XPS結(jié)果顯示潤滑膜中確實有碳納米管的存在，而碳納米管與氧化鐵等邊界膜起到減摩抗磨的作用。