第１２卷 ２０１２住 第１期 １月 中国水运 Ｏｈ ｉ ｎａ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｖｏ１．１２ Ｊａｎｕｒｙ Ｎｏ．１ ２０１２
复合纳米润滑油添加剂的研究现状与展望
李双明，顾彩香
（上海海事大学商船学院上海２００１３５）
摘要：近年来纳米摩擦学得到了快速发展，尤其是新型的复合纳米润滑油添加剂的减摩抗磨性能受到了越来越多 的重视。综述了复合纳米添加剂的研究状况，探讨了复合纳米添加剂的减摩抗磨作用机理，对于复合纳米添加剂的
发展趋势提出了自己的观点，即复合纳米润滑油添加剂将朝着控制汽缸润滑油高温分解、以改善润滑油性能和改进
润滑油减排技术的方向发展。
关键词：复合纳米添加剂；摩擦学性能；减摩抗磨机理
中图分类号：ＴＥ６２４．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９７３（２０１２）０１—０１２０—０２
引言
随着纳米材料的发展及其应用研究的不断深入，人们已
将纳米材料应用于摩擦学领域。２０世纪８０年代后期，我国
与俄罗斯、美国、乌克兰等国家几乎同步地开始了纳米摩擦
学研究，并取得了一定的效果＿ｌｌ。与传统润滑油添加剂相比，
纳米添加剂分散稳定性好，减摩抗磨效果更好；表面活性高，
能起到表面修复作用；熔点低，延展性和扩散性好，具有良
好的边界润滑性能；还可解决由Ｓ、Ｐ、Ｃ１等的有机化合物
极压耐磨添加剂引起的基体金属腐蚀和环境污染等问题ｌ２ｌ。
近年来纳米摩擦学得到了快速发展，尤其是复合纳米添 加剂的减摩抗磨性能受到了越来越多的重视。复合纳米添加
剂综合了两种或多种纳米粒子的性能，作为润滑油添加剂， 比单一的纳米粒子具有更好的减摩抗磨性能１３］。论文分析了
复合纳米添加剂的研究状况，探讨了复合纳米添加剂的减摩
抗磨作用机理，展望了复合纳米添加剂的未来发展前景，并
对复合纳米添加剂提出了自己的观点。
一、复合纳米添加剂的研究现状
目前，国内外研究者试验中用的纳米微粒润滑油添加剂主
要包括纳米金属粉、纳米金刚石、纳米无机盐、纳米氢氧化物、
纳米氧化物和纳米高分子微球等，研究中多以纳米材料单剂为
主，得到良好的效果。如汪剑［４ｌ等研究发现润滑油中添加纳
米铜粉可以降低摩擦，减少磨损，并可提高润滑油的承载能力，
更能适应高速重载和瞬时失油等恶劣工况。近年来，科研工作
者开始进行一些复合纳米材料的试验研究，往往会发现复合纳
米添加剂比纳米单剂具有更好的摩擦学性能。
顾卓明、顾彩香等 Ｊ在近几年中相继研究了纳米碳酸
钙、纳米稀土、纳米铜、纳米铁粉及其复合粒子作为润滑油
添加剂的摩擦学性能，结果发现添加一定量的纳米碳酸钙、
纳米稀土、纳米铜、纳米铁粉及其复合粒子作为润滑油添加
剂具有明显的减摩抗磨作用及自修复效果。苏登等［７ 采用超
声机械法制备了Ａ１２Ｏ３－ＳｉＯ２－ＭｇＯ复合纳米添加剂，试验结
果表明该复合纳米添加剂具有良好的分散稳定性、减摩抗磨
性和自修复性。
焦大，郑少华等【８】以硅烷偶联荆（ＫＨ５６０）为表面活性 剂对Ａｌ Ｏ。／ｓｉｏ 复合纳米颗粒进行表面改性，进而实现其在
基础油中均匀稳定的单分散。以一定比例将改性的
Ａ１。Ｏ。／ｓｉｏ 复合纳米颗粒加入到基础油中，进行四球试验和
止推圈试验，对摩擦系数、磨斑直径、磨损量、摩擦副表面
形貌进行分析。试验结果表明：硅烷偶联荆（ＫＨ５６０），质
量分数为ｌ％时改性效果最好；改性后的Ａ１２Ｏ。／ＳｉＯ 复合纳
米颗粒在基础油中浓度为５％０ｗｔ时，可以显著提高基础油的
减摩抗磨性能；摩擦过程中，Ａ１ Ｏ。／ｓｉｏ。复合纳米颗粒可以
沉积在摩擦副表面，并与摩擦表面作用形成动态自修复薄膜，
有效保护摩擦表面。
王平Ｉ９”采用摩擦试验机对所制备的Ａ１２Ｏ。一ＳｉＯ２一ＭｇＯ无
机复合纳米颗粒的抗磨性进行了摩擦性能测试及表征分析。
主要研究了复合纳米颗粒与单质颗粒做润滑油添加剂的摩擦
性能比较，复合纳米颗粒在不同介质条件下的抗磨减摩性能，
Ａ１２Ｏ３－ＳｉＯ 一ＭｇＯ复合纳米颗粒的自修复性能以及汽车整车
性能试验。研究发现经过改性的Ａ１２Ｏ３－ＳｉＯ２－ＭｇＯ复合纳米
颗粒，在摩擦磨损过程中，不同纳米粒子的协同效应充分发
挥，在摩擦表面生成物理化学吸附膜，从而使添加复合纳米 粒子的润滑油具有减摩抗磨和自修复功能。当
Ａ１２Ｏ３－ＳｉＯ２－ＭｇＯ复合纳米颗粒的掺加浓度为５‰ｗｔ时，可
达到最佳减摩抗磨效果。
上海海事大学的田晓禹等Ｉ１。’将纳米Ｃｕ、Ｌａ２０。、Ｃｅ２０。
粒子添加于５００ＳＮ基础油中，采用摩擦磨损实验机考察其 摩擦学性能，结果表面：６４ｎｍ粒径的Ｃｕ粒子与２５ｎｍ粒
径的Ｌａ２Ｏ３－Ｃｅ２Ｏ３粒子匹配效果最好；纳米Ｃｕ粒子与纳米
Ｌａ２Ｏ３－Ｃｅ２Ｏ３粒子的质量比为２：１、总质量分数为８‰时，
润滑油的减摩抗磨性能和极压性能优于现有的两种纳米粒子
作为添加剂的润滑油。
天津大学材料学院的柳刚等【１ ｌ】利用四球机分别对添加有
纳米Ａ１、Ｓｎ以及Ａ１／Ｓｎ的润滑油进行抗磨极压性能试验。
研究发现：复合纳米Ａ１／Ｓｎ添加剂可明显改善润滑油的极压 抗磨性能；从低负荷到高载荷阶段，添加有复合纳米Ａ１／Ｓｎ
的润滑油能明显减小钢球的磨痕直径，在低载荷和高载荷阶
段分别最多降低磨痕直径１ ５％～１８％，提高ＰＢ值９．２％左
收稿日期：２０１１—１１—２０
作者简介：李双明，男，上海海事大学商船学院，硕士，研究方向为船机修造技术。
第１期 李双明等：复合纳米润滑油添加剂的研究现状与展望 １２１
右；在低载荷下主要是Ｓｎ到抗磨剂作用，在高载荷阶段
到极压剂的作用。
董凌等＿１ ２ｌ采用化学方法制备了Ｍｇ—Ｓｎ型复合纳米添加
剂，分别采用四球摩擦磨损试验机和环一块摩擦磨损试验机考
察了其作为矿物油添加剂的减摩抗磨性能及对磨损表面的修
复作用。实验结果表明Ｍｇ—Ｓｎ型复合纳米添加剂具有优良的
减摩抗磨性能，且对磨损表面具有一定的修复作用。
济南大学的马士玉【１引利用ＭＭＵ一１０Ｇ型摩擦磨损试验
机测定ＳｉＯ。／ＺｒＯ 复合纳米颗粒作为润滑油添加剂的摩擦磨
损性能。结果表明：四球摩擦磨损试验中，含０．１％ｗｔＫＨ５６０
改性后的ＳｉＯ ／ＺｒＯ。复合纳米颗粒添加剂的２０＃机械油产生
的抗磨减摩效果最好，摩擦系数的平均降幅为１３．８１％；止
推圈摩擦磨损试验中，含０．１％ｗｔＫＨ５６０改性后的
ＳｉＯ２／ＺｒＯ。复合纳米颗粒添加剂的２０＃机械油的摩擦系数降
幅最大，平均降幅值为１６．０９％。 乔玉林，孟令东等Ｉ，４１用ＳＲＶ摩擦磨损试验机考察了纳米
ＳｉＣ／ＳｉＯ。复合体系的高温抗磨减摩性能。结果表明：在连续
加载高温试验中，ＳｉＣ／ＳｉＯ 复合体系在较低负荷下摩擦系数
改善不明显，但当ＳｉＣ／ＳｉＯ２之比为０．５时，能明显改善基
础油在高温高负荷条件下的减摩性能；在５０Ｎ恒定载荷，温
度为２００￣Ｃ和４００￣Ｃ时，ＳｉＣ／ＳｉＯ２复合体系对基础油的高 温减摩抗磨性能都有不同程度的提高，其中当ＳｉＣ／ＳｉＯ２之
比为０．１时最为明显，其抗磨性能分别提高了９０％和７６％。
二、复合纳米添加剂的减摩抗磨机理探究
纳米粒子的减摩抗磨性能，主要取决于纳米粒子的种类、
形貌、粒径以及表面修饰剂的种类等等，对于其减摩抗磨机
理，虽然有待进一步完善，但比较一致的观点有滚珠轴承理
论、成膜理论、渗透和摩擦化学反应机制和表面抛光优化机
制等＿１ 。对于复合纳米添加剂而言，除具有各自单粒的特性
外，相互配合的微粒之间还有可能发生协同效应，改善无机
微粒子基础油中的分散性，表现出良好的自修复性，增强减
摩抗磨性能。
Ａ．Ｈｅｍ￣ｎｄｅｚ Ｂａｔｔｅｚ等 将ｃｕＯ、ＺｒＯ２和ＺｎＯ纳米
微粒及其组合物分别添加到ｐｏｌｙａｌｐｈａｏｌｅｆｉｎ（ｐａｏ６）中，
并研究其摩擦学性能，发现质量分数为０．５％的ｚ ０２一ＺｎＯ
润滑油表现出最好的摩擦学行为，展现出最高的抗磨减摩价
值。而含氧化铜粒子的上述纳米润滑油，当质量分数为２％
时表现出最好的协同效应和最低的摩擦效果。 Ｅｃｋｅｒｔ和Ｒｕｄｏｌｆ Ｊ１１７１通过试验研究发现，经过改性的
ＳｉＯ２－ＭｇＯ复合纳米颗粒，在摩擦磨损过程中，不同纳米粒
子的协同效应充分发挥。他们认为，ＳｉＯ。一ＭｇＯ复合纳米颗
粒在摩擦表面生成的物理化学吸附膜，使润滑油具有减摩抗
磨和自修复功能。
许军＿１ ８＿在磨损试验机上对纳米二氧化铈和纳米铁粒子组
合物润滑油添加剂的摩擦学特性进行研究，发现在纳米二氧
化铈与铁粒子配比为１：１时，形成纳米二氧化铈粒子在被 纳米铁粒子填平修复的表面上起到“微滚珠”的作用，充分
发挥了抗磨、减摩协同效应，且组合物的效果要优于加入单
种纳米粒子的效果。 董凌等＿１。】通过Ｍｇ—Ｓｎ型复合纳米添加剂的试验研究， 认为复合纳米添加剂具有优良的减摩抗磨性能，且对磨损表
面具有一定的修复作用，其原因在于，复合纳米添加剂在摩
擦表面沉积，并在接触区的高温高压作用下熔融铺展，形成
低剪切强度的表面膜。正是由于这层膜的剪切强度比较低， 可以减少摩擦界面的黏着磨损，故表现出良好的减摩抗磨和
自修复性能。同样，通过对ＳｉＯ ／ＳｎＯ 复合纳米微粒添加剂 的摩擦学性能及其对磨损表面的修复作用的试验研究＿１ ，发
现在接触区的高温高压下ＳｉＯ。／ＭｇＯ复合纳米粒子在摩擦
表面熔融、铺展和沉积，形成低剪切强度的表面膜，既提高 了抗磨减摩性能，又表现出良好的自修复效果。
马士玉ｌ１ ３ｌ在测定ＳｉＯ２／ＺｒＯ２复合纳米颗粒作为润滑油
添加剂的摩擦磨损性能的试验中，采用ＳＥＭ和ＸＲＤ对摩擦
表面形成的保护层进行分析，发现表面微区增添了来自添加
剂中的Ｚｒ／Ｓｉ元素，说明纳米颗粒添加剂向摩擦副表面发生
了转移，起到了良好的抗磨减摩及动态自修复作用。
ＳｉＯ２／ＺｒＯ２复合纳米粒子由于纳米ＺｒＯ２与ＳｉＯ２的加和、协
同等效应，其抗磨性和极压性优于其它纳米添加剂。
江苏大学的严冲＿２ ０ｌ通过四球摩擦磨损实验机对球形纳米
Ｃｕ、Ｎｉ及Ｃｕ／Ｎｉ混合粉体进行极压、抗磨性能测试。结果
表明：Ｃｕ／Ｎｉ混合粉体的极压、抗磨性能最佳。其机理是在
重负荷下，纳米粒子与摩擦表面可能发生了合金化反应，有
效起到减摩抗磨的效果，提高了润滑油的极压性能。他认为，
在摩擦过程中，表面修饰剂首先在摩擦表面发生反应，达到
改善摩擦学性能的作用，当摩擦反应膜不足承载的时候，即
修饰剂与纳米微粒之间的修饰作用遭到破坏，此时裸露的纳
米微粒与金属发生作用，通过物理或化学作用与摩擦表面形
成保护膜，从而降低摩擦、减少磨损。 上海海事大学的李磊Ｉ２ｌ＿在磨损试验机上对纳米
ＣｅＯ２／Ｔｉ０２粒子以及粒子组合物用作润滑油添加剂的摩擦
学性能进行了研究，结果表明：ＣｅＯ。、Ｔｉ０２组合物添加剂的
最佳添加量为：ｗｔ（ＣｅＯ２）：ｗｔ（Ｔｉ０２）＝１：３，总质量分
数为０．６‰左右；表面活性剂将纳米ＣｅＯ２粒子和纳米Ｔｉ０２
粒子包围形成了“微胶粒”，从而使纳米粒子在润滑油中得
到了良好的分散，并且使得纳米润滑油稳定性相对较好；纳
米ＣｅＯ 粒子对纳米ＴｉＯ。粒子在润滑油中的团聚具有良好的
抑制作用，并可以适当减少纳米面Ｔｉ０。粒子的使用量；他认
为，纳米ＣｅＯ 和Ｔｉ０ 组合物粒子用作润滑油添加剂时具有
良好的摩擦学性能可能是由纳米ＣｅＯ 粒子和纳米Ｔｉ０ 粒子 协同作用的的结果，即复合纳米粒子的协Ｉ可作用机理。
三、总结与展望
（１）复合纳米微粒，作为润滑油添加剂，在一定匹配条
件下，往往能够表现出优于其单质微粒的摩擦学性能。
（２）复合纳米润滑油添加剂具有协同效应和较强的自修
复性能。其中，协同效应表现在微粒之间的功能改善、合金
化反应等方面；自修复性能表现在复合纳米粒子会在摩擦表
面熔融、铺展和沉积，形成低剪切强度的表面膜，从而既能
提高减摩抗磨性能，又能表现出良好的自修复效果。
（３）目前，对于复合纳米润滑油添加剂的研究，主要集
中于其减摩抗磨机理方面，并且取得了一定的成效。然而在活
塞运动时，汽缸润滑油高温分解现象严重，（下转第１２３页）
