專利名稱：無機復(fù)合納米智能修復(fù)劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以潤滑油為載體的可對機械裝備摩擦副磨損表面進行自動修復(fù)的納米修復(fù)劑，以及上述修復(fù)劑的制備方法。
背景技術(shù)：
目前，納米得到了廣泛的應(yīng)用，如在機械領(lǐng)域，利用納米材料優(yōu)化金屬表面性能，增加金屬表面的抗磨性能，降低摩擦系數(shù)、對摩擦副磨損表面進行自動修復(fù)等。國外專利生產(chǎn)的以正負(fù)電子在摩擦副之間形成相互吸引的保護層，減少摩擦損耗，與基體的焊接性能差，在機械設(shè)備運轉(zhuǎn)時才能形成保護層；以碳?xì)浠衔锏闹饕煞值漠a(chǎn)品是在機械設(shè)備運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱能，利用“熱激活”的方式在摩擦副之間形成的保護層，減少摩擦副之間的損耗。在機械設(shè)備停止運轉(zhuǎn)時保護層隨即消失。以上產(chǎn)品大都存在以下問題(1)在純油介質(zhì)下，其摩擦系數(shù)都不小于0.003，且在干摩擦條件下大于0.003，甚至失去應(yīng)有之功效；(2)耐高溫性差，很難突破900℃極限；(3)無法滿足高溫度、海洋環(huán)境及強酸堿介質(zhì)中工作，尤其改性后在摩擦副表面形成明顯的界面層或油膜，使材料表面的粗造度難以超過14級；(4)在抗磨、減摩功效上雖能起到良好的效果，但受到應(yīng)用范圍的限制；(5)對磨損創(chuàng)面的修復(fù)功能上，不能長時間的保持設(shè)計尺寸，僅對在幾納米以下深度的磨損面具有修復(fù)作用。
中國專利200410099286X、“潤滑油添加劑及其制備方法”的發(fā)明專利，公開了一種主要添加有二氧化硅的潤滑油。由于單純加入納米二氧化硅，難形成有效的納米膜，僅能修復(fù)局部磨擦副表面。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了克服以上技術(shù)的不足，提供了一種穩(wěn)定性好、不發(fā)生團聚、對摩損表面具有自動修復(fù)功能的智能修復(fù)劑。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述修復(fù)劑的制備方法。
本發(fā)明是通過以下措施來實現(xiàn)的本發(fā)明的無機復(fù)合納米智能修復(fù)劑，含有0.1-5％重量的納米添加劑，基質(zhì)為潤滑油，所述的納米添加劑是由18-33％重量的SiO2、21-40％重量的AL2O3、31-55％重量的MgO組成，其中SiO2的粒徑為10-200nm Al2O3的粒徑為10-200nm，MgO的粒徑為30-200nm。
上述本發(fā)明的無機復(fù)合納米智能修復(fù)劑，所述的納米添加劑的最佳的粒徑為SiO2的粒徑為50-80nm AL2O3的粒徑為70-80nm，MgO的粒徑為80-120nm。
上述本發(fā)明的無機復(fù)合納米智能修復(fù)劑的制備方法為分別稱取納米添加劑，用普通機械機粉碎成1-80微米的細(xì)粉；將細(xì)粉加入到潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發(fā)明的納米智能修復(fù)劑。
上述的本發(fā)明的制備方法，所述的超聲波粉碎機中帶有水冷卻裝置，所述的超聲波的頻率為20KHz～50KHz。
本發(fā)明的無機復(fù)合納米智能修復(fù)劑，使無機納米粒子具備特有的界面與表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)的特性。在無機復(fù)合材料中，由于納米粒子SiO2表面嚴(yán)重配位不足，有著極強的活性、龐大的比表面，欠氧特性，易發(fā)生鍵合作用，提高分子間的鍵力，具備一種“自尋找”功能，同時還具有抗磨、抗老化及改善材料表面光潔度的作用；材料Al2O3、MgO組成的納米粒子，具備良好材料韌性和熱導(dǎo)性，有與鐵合金相近的熱膨脹系數(shù)，提高與鋼基體的相熔性(焊接性能)和親和性能，同時具備與納米SiO2粒子的高硬度、耐腐耐磨性能。
本發(fā)明的修復(fù)劑的作用機理如下(1)沉積膜作用機理摩擦過程中油相中的納米粒子受兩種因素作用會向摩擦副表面遷移，一是因摩擦產(chǎn)生的微區(qū)高溫會引起強度高于體相的分子漲落，增強的分子漲落有利于不定向遷移，不定向遷移增加了納米粒子向摩擦副表面遷移的機會二是因摩擦副產(chǎn)生外逸電子等使摩擦副表面的界面電磁場強化，強化的界面電場會產(chǎn)生強化的磁場，表面微弱電磁場的存在，對表面吸附有強極性小分子的納米粒子，無疑會增加其在摩擦副表面富集的機會；三是處于摩擦副近表面的納米粒子使表面含納米粒子的潤滑油膜黏度增大，從而大大減少了它與體相介質(zhì)發(fā)生物質(zhì)交換的可能性。在這種情況下潤滑油膜中的納米粒子在反復(fù)摩擦下，錨固于其表面的超分散穩(wěn)定劑和少量極性小分子會產(chǎn)生脫附，從而使納米粒子表面的空間位阻層的致密程度和厚度減小，這無疑增加了粒子發(fā)生集聚，并進而沉積在摩擦副表面的機會。
(2)潤滑油膜增強機理任何潤滑油都具有一定的黏壓特性，當(dāng)位于摩擦副之間的油膜承受載荷壓力作用時其黏度增大，油膜會被稠化，甚至變?yōu)榫哂邢喈?dāng)觸變強度的類固體膜。當(dāng)潤滑油膜中彌散分布有表面錨固聚合物的無機納米粒子時，納米粒子在油膜中的彌散分布將使①油膜黏度增大、厚度增加，觸變強度上升；②粒子表面錨固的聚合物使油膜的韌性和強度增加。以上兩因素均有利于改善油品的抗磨減摩性能和承載能力。其增強機理示意圖如圖1。
(3)修復(fù)作用機理如果表面微坑大小和納米粒子一樣也在納米級，那么沉積或吸附在微坑的納米粒子，或在摩擦過程中被帶入納米級微坑的納米粒子就有可能在承載條件下被嵌入在微坑中，從而實現(xiàn)納米級微坑的修復(fù)。對表面粗糙的摩擦副而言，納米粒子的修復(fù)對摩擦學(xué)性能改善作用較小，因為摩擦副在承載時接觸面只占整個摩擦副表面很小的一部分，因而對摩擦學(xué)性能有貢獻(xiàn)的僅僅只有接觸面的修復(fù)，其修復(fù)機理示意圖如圖2所示。以上分析表明①摩擦副表面越光滑平整，承載時接觸面越大，納米粒子的修復(fù)對改善摩擦學(xué)性能貢獻(xiàn)越大；②在保證納米粒子分散性和分散穩(wěn)定性的前提下，具有一定粒徑分布的納米粒子，有利于填充大小不同的納米級微坑，實現(xiàn)更大程度的條件修復(fù)。
(4)表面優(yōu)化作用機理油介質(zhì)中納米粒子在摩擦過程中也會對摩擦副表面產(chǎn)生機械拋光作用。光滑的摩擦表面，不但摩擦系數(shù)會更低，且承載時接觸面的壓力應(yīng)力會更小，因而可相應(yīng)地提高油品的承載能力。對粗糙表面的摩擦副而言，納米粒子的機械拋光作用對改善油品摩擦學(xué)性能不會太明顯，因為納米粒子相對于表面的納米級凸峰而言太小，它只能通過對表面原子產(chǎn)生原子級彈性破壞等作用拋光摩擦副表面的納米級凸峰。因此表面粗糙度越小、越光滑的摩擦副表面，油品中納米粒子的添加對其摩擦學(xué)性能的改善越顯著。需要說明的是，納米粒子對表面的拋光作用和摩擦過程中因磨損產(chǎn)生的、使表面粗糙度增大的作用是一動態(tài)過程，前者是一個緩慢過程；對苛刻摩擦條件下的粗糙表面，磨損可迅速發(fā)生，但對粗糙度較小的光滑表面，由于壓力應(yīng)力小，如果不是摩擦學(xué)條件特別苛刻，磨損也是十分緩慢的。對添加有納米粒子的油品，摩擦副負(fù)載使用一段時間后其表面粗糙度水平與載荷、摩擦副本身的表面狀況、油品摩擦學(xué)特性、作用時間、納米粒子的物理特性等等有關(guān)。對低載荷、光滑或超光滑摩擦副，處于良好潤滑介質(zhì)中的剛性球形納米粒子，對改善摩擦副表面平整性是有利的。其表面優(yōu)化作用機理示意圖如3所示。
(5)光滑或超光滑表面滾動摩擦作用機理在沉積膜作用機理、潤滑油膜增強機理、修復(fù)作用機理、表面優(yōu)化作用機理完成后，特別是Rmax＜納米粒子粒徑時，潤滑油中高度彌散的球形納米粒子在一定載荷范圍內(nèi)實現(xiàn)摩擦副表面的滾動摩擦，其作用模型如圖4所示。在制備納米粒子時，控制納米粒徑才能實現(xiàn)光滑或超光滑表面滾動摩擦。對大粒徑粒子而言，在未實現(xiàn)滾動摩擦之前，會因大粒徑粒子承受的壓應(yīng)力過大，被壓入摩擦副表面；而粒徑太小的那一部分粒子因無法同時接觸摩擦對偶，也不可能參與滾動潤滑。
無機復(fù)合納米智能修復(fù)劑技術(shù)是一項新型的原位動態(tài)自修復(fù)技術(shù)，它利用無機材料特有的性能，作用于以潤滑油為載體的任何機械裝備摩擦副表面。納米粒子隨潤滑油分散于各個摩擦副接觸層，在一定溫度、壓力、摩擦力作用下，摩擦副表面產(chǎn)生劇烈摩擦和塑形變形，納米顆粒就會在摩擦表面沉積成膜，并與摩擦表面作用、當(dāng)摩擦表面溫度高到一定值時，納米顆粒強度下降，增強潤滑與表面摩擦的微觀顆粒產(chǎn)生共晶、滲透、“焊接”、填補表面微觀溝谷，修復(fù)摩擦副表面。在摩擦副表面形成具有超強硬度、極高光潔度和超耐磨的自修復(fù)膜。達(dá)到最佳的間隙配合公差。此時摩擦力的作用減少、摩擦系數(shù)降低，納米修復(fù)過程完成。而潤滑油中的納米顆粒，在不斷的尋找新的摩擦缺陷，并且在超光滑的摩擦表面，實現(xiàn)滾動摩擦，更加減少摩擦力的作用，降低摩擦系數(shù)，從而形成一層具有減摩抗磨作用的液態(tài)或固態(tài)自修復(fù)膜。
本發(fā)明的納米智能修復(fù)劑，具有穩(wěn)定性好、不發(fā)生團聚、對摩損表面具有自動修復(fù)功能，摩擦系數(shù)小，動力性強，耗油低，油煙排放量低。
采用本發(fā)明的制備方法，可以使修復(fù)劑具有粒度小，不發(fā)生團聚，穩(wěn)定性好。


圖1本發(fā)明的修復(fù)劑納米顆粒潤滑薄膜的二維模型示意2本發(fā)明的修復(fù)劑納米顆粒修復(fù)摩擦副微孔的二維模型示意3本發(fā)明的修復(fù)劑表面拋光示意4本發(fā)明的修復(fù)劑超光滑表面的滾動摩擦作用模型示意圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作具體的說明。
實施例1稱取0.3kg的SiO2、0.35kg的AL2O3、0.35kg的MgO，分別用普通機械機粉碎成20微米的細(xì)粉；將上述細(xì)粉加入到500kg潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發(fā)明的納米智能修復(fù)劑。上述的超聲波粉碎機采用專利號為200310105421中實施例1中的超聲波粉碎機。共計19個超聲波發(fā)射器，振動頻率35KHz，總功率為1500W。
經(jīng)濟南大學(xué)材料學(xué)院材料分析實驗室測量，數(shù)據(jù)如表1。
表1粒度測量結(jié)果表
實施例2稱取0.2kg的SiO2、0.25kg的AL2O3、0.5kg的MgO，分別用普通機械機粉碎成20微米的細(xì)粉；將上述細(xì)粉加入到25kg潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發(fā)明的納米智能修復(fù)劑。上述的超聲波粉碎機采用專利號為200310105421中實施例1中的超聲波粉碎機。共計19個超聲波發(fā)射器，振動頻率25KHz，總功率為500W。
經(jīng)濟南大學(xué)材料學(xué)院材料分析實驗室測量，數(shù)據(jù)如表2。
表2粒度測量結(jié)果表
實施例3稱取0.3kg的SiO2、0.4kg的AL2O3、0.45kg的MgO，分別用普通機械機粉碎成20微米的細(xì)粉；將上述細(xì)粉加入到100kg潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發(fā)明的納米智能修復(fù)劑。上述的超聲波粉碎機采用專利號為200310105421中實施例1中的超聲波粉碎機。共計19個超聲波發(fā)射器，振動頻率45KHz，總功率為1000W。
經(jīng)濟南大學(xué)材料學(xué)院材料分析實驗室測量，數(shù)據(jù)如表3。
表3粒度測量結(jié)果表
實施例4稱取0.25kg的SiO2、0.25kg的AL2O3、0.48kg的MgO，分別用普通機械機粉碎成20微米的細(xì)粉；將上述細(xì)粉在干燥的真空料機內(nèi)通入Ar氣作保護氣，通過高速運轉(zhuǎn)的硬質(zhì)鋼磨球與研體之間相互碰撞，對粉末粒子反復(fù)進行熔結(jié)、斷裂、再熔結(jié)，使晶體不斷細(xì)化。
細(xì)化后，經(jīng)濟南大學(xué)材料學(xué)院材料分析實驗室測量，數(shù)據(jù)如表4所示。
表4粒度測量結(jié)果表
測試?yán)?摩托車缸體的硬度測試經(jīng)山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料學(xué)實驗室測試。
送驗項目摩托車缸體經(jīng)本發(fā)明的修復(fù)劑處理后，進行納米保護層Hv硬度測試測試儀器島津顯微硬度測試儀測試工況Hv50g時間10秒鐘測試結(jié)果Hv HRC實施例176962.8實施例293567.8實施例31123 70實施例472560.2未經(jīng)納米添加劑處理的解體試樣測試結(jié)果Hv HRC33333.6
測試?yán)?以實施例2的本發(fā)明的修復(fù)劑為例，進行摩托車缸體摩擦實驗。結(jié)果如下
測試?yán)?以實施例2的本發(fā)明的修復(fù)劑為例，進行機動車動力實驗。結(jié)果如下
權(quán)利要求
1.一種無機復(fù)合納米智能修復(fù)劑，含有0.1-5％重量的納米添加劑，基質(zhì)為潤滑油，其特征在于所述的納米添加劑是由18-33％重量的SiO2、21-40％重量的AL2O3、31-55％重量的MgO組成，其中SiO2的粒徑為10-200nmAL2O3的粒徑為10-200nm，MgO的粒徑為30-200nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無機復(fù)合納米智能修復(fù)劑，其特征在于SiO2的粒徑為50-80nm AL2O3的粒徑為70-80nm，MgO的粒徑為80-120nm。
3.一種權(quán)利要求1或2所述的無機復(fù)合納米智能修復(fù)劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟，分別稱取納米添加劑，用普通機械機粉碎成1-80微米的細(xì)粉；將細(xì)粉加入到潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發(fā)明的納米智能修復(fù)劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的超聲波粉碎機中帶有水冷卻裝置，所述的超聲波的頻率為20KHz～50KHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以潤滑油為載體的可對機械裝備摩擦副磨損表面進行自動修復(fù)的納米修復(fù)劑，以及上述修復(fù)劑的制備方法。本發(fā)明的修復(fù)劑，含有0.1－5％重量的納米添加劑，基質(zhì)為潤滑油，所述的納米添加劑是由18－33％重量的SiO
文檔編號C10M113/08GK1850953SQ20051013118
公開日2006年10月25日 申請日期2005年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者邢延濤 申請人:邢延濤