需要更有效的潤(rùn)滑以實(shí)現(xiàn)新發(fā)動(dòng)機(jī)的苛刻工作條件。所有發(fā)動(dòng)機(jī)的耐用性，排放和燃油經(jīng)濟(jì)性都與潤(rùn)滑效率緊密相關(guān)。潤(rùn)滑不足或效率低下會(huì)導(dǎo)致較大的摩擦和磨損損失，這可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗和使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，高燃料消耗會(huì)導(dǎo)致更多污染，因此，至關(guān)重要的是要開發(fā)出排放更低，燃油經(jīng)濟(jì)性更高的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。

所有這些都可以通過(guò)使用固體潤(rùn)滑劑來(lái)獲得。在液體潤(rùn)滑劑不能勝任或不可能的情況下，例如在太空，真空或汽車中，固體潤(rùn)滑劑在提高耐磨性方面占據(jù)著特殊的位置。

在過(guò)去的幾年中，金屬基質(zhì)納米復(fù)合材料作為固體潤(rùn)滑劑已受到許多研究人員的關(guān)注。

油脂是半固體潤(rùn)滑劑；當(dāng)潤(rùn)滑劑必須留在一個(gè)地方或粘在一個(gè)零件上時(shí)，它們可代替油使用。油脂不會(huì)像油一樣容易泄漏。油脂用于潤(rùn)滑，以防止摩擦和磨損，防止腐蝕，提供對(duì)灰塵和水的密封，提供不會(huì)泄漏或滴落在其所應(yīng)用表面上的潤(rùn)滑以及長(zhǎng)時(shí)間潤(rùn)滑沒(méi)有崩潰。

在納米技術(shù)的大領(lǐng)域中，基于金屬基質(zhì)的納米復(fù)合材料已成為研究和開發(fā)的重要領(lǐng)域。由于其潤(rùn)滑性，含有過(guò)渡金屬碳化物，氮化物，硼化物和氧化物的納米復(fù)合材料吸引了全世界的研究人員。

具有卓越的機(jī)械和摩擦學(xué)性能的輕質(zhì)自潤(rùn)滑金屬基復(fù)合材料吸引了汽車和航空航天工業(yè)的多種應(yīng)用。

納米復(fù)合材料的興趣

根據(jù)定義，復(fù)合材料是由兩種或多種具有顯著不同的物理或化學(xué)性質(zhì)的組成材料制成的，它們?cè)谕瓿傻慕Y(jié)構(gòu)內(nèi)在宏觀，微觀和納米尺度上保持分離和不同[1]。

（c）復(fù)合材料科學(xué)與工程25，4; 10.1515 / secm-2016-0278

構(gòu)成材料之一，稱為增強(qiáng)相，是纖維，薄片或顆粒的形式。它被嵌入另一種稱為基質(zhì)相的材料中。但是，由于現(xiàn)有的復(fù)雜的材料架構(gòu)，這是如今已變得更廣泛的傳統(tǒng)定義。

增強(qiáng)材料和基質(zhì)材料可以是金屬的，陶瓷的或聚合物的。由于發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，復(fù)合材料的整體性能在許多情況下優(yōu)于單個(gè)組件的性能[2]。

通常，增強(qiáng)物的尺寸影響機(jī)械性能，例如強(qiáng)度，延展性和自潤(rùn)滑金屬基復(fù)合材料（MMC）的斷裂。通過(guò)增加鋼筋尺寸，抗張強(qiáng)度和延展性同時(shí)降低。由較大顆粒增強(qiáng)的MMC容易形成缺陷，例如在機(jī)械測(cè)試過(guò)程中破裂，這會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料過(guò)早失效。

因此，預(yù)期當(dāng)增強(qiáng)尺寸在納米范圍內(nèi)時(shí)具有優(yōu)異的性能。如果將納米顆粒（NP）嵌入金屬基質(zhì)中，則所得材料通常被稱為“納米復(fù)合材料”。

通常，就機(jī)械性能而言，期望具有在納米范圍內(nèi)的基體晶粒尺寸，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的硬度，屈服強(qiáng)度以及諸如耐磨性和摩擦系數(shù)的摩擦學(xué)性能。使用納米級(jí)顆粒作為增強(qiáng)材料還可以增強(qiáng)復(fù)合材料的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度，并改善摩擦學(xué)性能。

自潤(rùn)滑納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)

摩擦學(xué)是“相對(duì)運(yùn)動(dòng)中相互作用表面的科學(xué)與工程” [3]。它來(lái)自希臘語(yǔ)“ tribos”（摩擦），包含潤(rùn)滑，磨損和摩擦的原理[4]。在外力作用下，兩種材料相互接觸，兩個(gè)表面的粗糙表面緊密接觸并在移動(dòng)過(guò)程中發(fā)生表面劣化，這就是所謂的磨損。

通常，為了避免摩擦，從而避免磨損下的材料變質(zhì)，可使用液體或固體潤(rùn)滑劑。然而，在諸如高真空環(huán)境，高速條件，高施加負(fù)載以及非常低或高溫的情況下，液體和油脂型潤(rùn)滑劑是不希望的。

在這樣的摩擦學(xué)系統(tǒng)中，液體和油脂型潤(rùn)滑劑被固體潤(rùn)滑劑涂層所代替，該固體潤(rùn)滑劑涂層用于降低摩擦系數(shù)（COF）和磨損率。

固體潤(rùn)滑劑是包含添加劑的化合物組合，這些添加劑旨在通過(guò)分離接觸表面來(lái)減少摩擦。由于NPs的納米級(jí)尺寸，人們對(duì)NPs的使用表現(xiàn)出了濃厚的興趣，這使它們能夠滲透各種幾何形狀的接觸，填充接觸粗糙之間的間隙，并形成在高壓下持久存在的保護(hù)性邊界膜（圖1）[ 6,7]。

圖1.（a）兩個(gè)表面之間的實(shí)際接觸（紅色）（藍(lán)色），（b）NP可以滲入瑕疵并增加接觸面積，從而降低雜質(zhì)內(nèi)部的局部接觸壓力。

納米顆粒已高度用作油分散體，固體潤(rùn)滑劑或涂料夾雜物。使用NP作為潤(rùn)滑劑添加劑有一些好處。由于它們的尺寸小，它們可以覆蓋接觸粗糙物之間的間隙[8]。

由于其較大的表面積，它們還具有較高的強(qiáng)度和硬度[9]。但是，此較大的表面積導(dǎo)致較大的表面能，這使它們?cè)跓崃W(xué)上不穩(wěn)定，并且它們的分散體趨于聚集。為了避免這種情況，需要使用表面活性劑對(duì)納米顆粒進(jìn)行功能化[10]。

NP可以以兩種形式存在：

• 2H –每個(gè)六邊形晶胞2層（圖2）

• IF –無(wú)機(jī)富勒烯狀（圖3）。

在2H-形式中，層是平坦的，并具有“懸空鍵” 11（邊緣效應(yīng)可能會(huì)由于拋光或氧化而使NP變質(zhì)）。但是，在IF結(jié)構(gòu)中，各層被四舍五入，形成“洋蔥狀”的籠子，這使它們對(duì)化學(xué)物質(zhì)更具惰性[6,12,13]。

已經(jīng)公開了在相對(duì)較低的PV（負(fù)載x速度）下，IF擊敗2H NP，盡管在高PV條件下，2H更好[14]。

圖2.左側(cè)，通過(guò)低層間剪切力潤(rùn)滑2H-MS2 NP。右邊是2H-MoS2 TEM圖像。

圖3.左側(cè)為IF層示意圖。右邊是IF-WS2 NP的HRTEM圖片，展示了它們的洋蔥狀結(jié)構(gòu)。

IF-和2H- MS2的潤(rùn)滑機(jī)理

MS 2血小板的基面由完全鍵合且無(wú)反應(yīng)性的硫原子組成（圖4）。因此，晶體對(duì)下表面的反應(yīng)性低，導(dǎo)致水蒸氣的吸收低。此外，末端S原子的表面能相當(dāng)?shù)?，使得它們相?duì)于金屬表面容易剪切。

相鄰層之間較弱的范德華SS相互作用使層之間可以簡(jiǎn)單地相互剪切，這有助于形成有效的潤(rùn)滑機(jī)制（圖2）。

但是，2H-MS 2晶體具有極強(qiáng)的各向異性和反應(yīng)性。雖然基面的S原子完全鍵合，因此不具有反應(yīng)性，但其他平面上的M和S原子卻不完全鍵合，因此具有很高的反應(yīng)性（圖2）。

因此，簡(jiǎn)單的剪切受到干擾，從而導(dǎo)致有效的潤(rùn)滑。然后，在兩個(gè)配合表面之間的摩擦過(guò)程中，血小板很快被拋光和氧化。這說(shuō)明了由于2H-MS 2 NP迅速變質(zhì)而導(dǎo)致的潤(rùn)滑劑使用壽命短。

圖4. 2H-MoS2 NP的基礎(chǔ)，M和S平面示意圖。藍(lán)色原子代表金屬，綠色原子代表硫。

IF-MS 2 NP的摩擦機(jī)制的特征在于其外層剝落，從而在接觸表面之間輸送單層（見圖5）并降低了摩擦系數(shù)[19]。

Schwarz等。研究了壓力和粘附力對(duì)富勒烯摩擦學(xué)的影響[20]。NP由于范德華力而附著在表面上，范德華力與顆粒的半徑成比例，并且與構(gòu)成IF-NP的層數(shù)無(wú)關(guān)。

富勒烯會(huì)由于施加到NP的壓力而脫落，從而破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在粘附條件下，僅發(fā)生第一片（1片或2片第一片）的剝落。之后，紙張會(huì)粘附在表面上，形成薄膜，從而將邊緣效應(yīng)降至最低[21]。

圖5. IF-MS2 NP的摩擦機(jī)理示意圖。注意，各個(gè)層恰好在接觸表面之間傳遞[22]。

由于它們的納米尺寸，富勒烯可以輕松地滲透到接觸表面的孔中，而2H-MS 2 NP則要大得多，并且不能穿過(guò)孔。這些孔充當(dāng)IF-MS 2 NP的儲(chǔ)層，并經(jīng)常在摩擦過(guò)程中提供接觸面積。一些研究已經(jīng)證實(shí)，由于摩擦后拍攝的SEM圖像，NPs可以滲入雜質(zhì)[14、18]，并在摩擦過(guò)程中在接觸區(qū)被釋放和活化。

NP增強(qiáng)的MMC的合成

可以使用不同的技術(shù)將NP整合到摩擦表面中。它們可以簡(jiǎn)單地分散在油中以減少表面之間的摩擦[23]。但是，在某些不適合使用油的空間應(yīng)用中，會(huì)使用灑水，摩擦或打磨的方法[18]。許多固體潤(rùn)滑劑在氣霧劑中混合并直接噴到表面[24]。

其他則在金屬基質(zhì)的幫助下進(jìn)行電沉積[25]。而且，粉狀固體潤(rùn)滑劑可以與合適的環(huán)氧樹脂和粘合劑高度結(jié)合，從而延長(zhǎng)表面的使用壽命[26]。

然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，選擇薄膜固體潤(rùn)滑劑代替粘結(jié)形式或粉末。薄膜可在表面上通過(guò)先進(jìn)的真空工藝等被沉積磁控濺射[27,28]離子鍍，離子束輔助沉積（IBAD）[29]或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）[30]，以獲得粘結(jié)力強(qiáng)，厚度均勻，耐磨壽命長(zhǎng)，組織致密。

結(jié)論

這篇綜述對(duì)IF-NP和2H-NP的固體潤(rùn)滑進(jìn)行了重點(diǎn)概述，從它們的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)開始，然后分析了它們用作固體潤(rùn)滑劑和相應(yīng)的摩擦學(xué)性能。

IF和2H- NP具有卓越的性能，包括大的長(zhǎng)徑比，出色的高楊氏模量和強(qiáng)度。

這些獨(dú)特的性能吸引了研究人員將其用作金屬材料基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，以增強(qiáng)復(fù)合材料的性能，并使它們堅(jiān)固，輕巧并具有自潤(rùn)滑性。