哪些層狀硅酸鹽礦物可用作潤滑材料添加劑？

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微納米固體潤滑材料是近年來摩擦、潤滑以及材料相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。層狀硅酸鹽是一類具有層狀結(jié)構(gòu)的固體礦物材料，與石墨和二硫化鉬的結(jié)構(gòu)非常相似，層間結(jié)構(gòu)的范德華力遠(yuǎn)小于層內(nèi)的離子力，當(dāng)受到擠壓時(shí)可以發(fā)生層間滑動(dòng)，具有作為潤滑添加劑的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)；同時(shí)層狀硅酸鹽礦物微粉還具有熱穩(wěn)定性好、成本低廉、功能全面及使用無污染的優(yōu)點(diǎn)，是一種具有巨大開發(fā)潛力的固體潤滑材料

在自然界中，有很多層狀硅酸鹽，例如高嶺土、石墨、云母、蛇紋石、蒙脫石、滑石、葉臘石等。

1、石墨
石墨在摩擦狀態(tài)下，能沿著晶體層間滑移，并沿著摩擦方向定向。石墨與鋼、鉻和橡膠等的表面有良好的粘附能力，因此，在一般條件下，石墨是一種優(yōu)良的潤滑劑。但是，當(dāng)吸附膜解吸后，石墨的摩擦磨損性能會(huì)變壞。所以，一般傾向于在氧化的鋼或銅的表面上以石墨作潤滑劑。

2、蛇紋石
近年來關(guān)于蛇紋石的摩擦學(xué)研究主要集中在作為自修復(fù)添加劑和作為減摩抗磨劑兩個(gè)方面。以蛇紋石為主要成分制備的原位磨損自修復(fù)添加劑在摩擦過程中改變了摩擦副表面的納米硬度及表面粗糙度等潤滑狀態(tài)，形成了一層原位自修復(fù)膜，實(shí)現(xiàn)了摩擦副的自修復(fù)。研究表明：
（1）蛇紋石的自修復(fù)膜主要成分為Fe₂O₃、含硅有機(jī)化合物和有機(jī)物碎片。
（2）蛇紋石在摩擦副表面的成膜機(jī)理：自修復(fù)材料首先在摩擦副表面物理吸附，其次轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)吸附，最后通過能量交換和物質(zhì)交換形成一層均勻的自修復(fù)膜，避免了摩擦副的直接接觸，有效地降低了摩擦副的摩擦和磨損。
（3）蛇紋石微粉的減摩抗磨性能與其在油品中的分散性緊密相關(guān)，表面修飾過的蛇紋石微粉的潤滑性能要優(yōu)于未經(jīng)修飾的蛇紋石微粉。蛇紋石微粉直接參與了摩擦界面復(fù)雜的物理和化學(xué)作用，誘發(fā)形成包含鐵鎂氧化物、水合氧化物、硅的氧化物及其他無機(jī)化合物的潤滑膜，從而提高了摩擦副的抗磨損性能及潤滑性能。
（4）在蛇紋石熱處理產(chǎn)物的摩擦學(xué)性能方面，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臒崽幚頊囟龋?00℃-600℃）可以提高微粉的活性，增強(qiáng)其在摩擦表面的吸附力，從而促進(jìn)摩擦化學(xué)反應(yīng)膜的形成。

3、滑石
滑石是一種天然的含鎂、鋁雙金屬氫氧化物的T：O：T型層狀硅酸鹽，具有陰離子可交換性以及陽離子可搭配性的特點(diǎn)，通過同晶取代可以制備各種類型的類水滑石化合物。研究表明：
（1）滑石的層狀結(jié)構(gòu)是滑石具有減摩效果的主要原因。
（2）在高溫下滑石在金屬摩擦副表面形成了一層過渡膜，降低了摩擦和磨損，而在室溫下沒有發(fā)現(xiàn)過渡膜。
（3）納米滑石及其焙燒產(chǎn)物能夠顯著降低摩擦副的表面粗糙度，減少摩擦阻力。而類水滑石微粉可顯著降低摩擦因數(shù)，是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的潤滑材料。

4、蒙脫石
蒙脫石是一種含水的層狀鋁硅酸鹽，其層間常吸附一些可交換的陽離子。研究表明：
（1）蒙脫土納米添加劑與基礎(chǔ)油相比較，平均摩擦因數(shù)下降48.8%，對(duì)應(yīng)的摩擦副試件失重減少45.5%。
（2）蒙脫石微粉優(yōu)良的摩擦學(xué)性能與其細(xì)小的粒度、層間結(jié)合力弱以及與摩擦副的物質(zhì)交換有關(guān)。

5、葉蠟石
葉蠟石為T：O：T型的層狀含水鋁硅酸鹽，是一種較為理想的潤滑添加劑。葉臘石分子層間易于滑動(dòng)而產(chǎn)生蠕變，本身硬度又較低，還有比較低的抗剪強(qiáng)度和較好的電熱絕緣性，是人造金剛石高溫、高壓設(shè)備中的密封材料和傳壓介質(zhì)。

6、云母
云母是層狀含水鋁硅酸鹽的總稱，其層間距大，層與層之間易滑動(dòng)，具有作為潤滑添加劑的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。研究表明：
（1）云母可使磨痕表面形貌由粗糙銳利變?yōu)楣饣�平緩，改善礦物油的摩擦學(xué)性能。
（2）云母的摩擦特性受其解理時(shí)間、濕度以及測(cè)試針尖的變化等多種因素的影響，表面摩擦性能不穩(wěn)定。

7、層狀硅酸鹽與稀土化合物復(fù)合微粉
稀土鑭、鈰等因其六方層狀晶體結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的外圍電子構(gòu)型及較大的原子半徑，除具有良好的潤滑性能外，還易與硅、氧等形成高熔點(diǎn)化合物，促進(jìn)碳、氧及硅向摩擦界面擴(kuò)散與富集，提高潤滑膜的形成能力、致密性和連續(xù)性，可對(duì)硅酸鹽微粉的減摩抗磨性能產(chǎn)生積極的作用關(guān)于稀土化合物在潤滑過程中所起的作用有兩種觀點(diǎn)：
一是層狀硅酸鹽與稀土化合物復(fù)合微粉中稀土化合物直接參與了摩擦界面復(fù)雜的物理和化學(xué)作用，在磨損表面生成含有硅酸鹽及稀土化合物特征元素的潤滑膜，從而起到潤滑作用。
二是稀土化合物在摩擦過程中主要起催化作用，并沒有直接參與物理和化學(xué)作用。
雖然上述觀點(diǎn)對(duì)于稀土化合物在潤滑過程中所起的作用不同，但都一致認(rèn)為層狀硅酸鹽與稀土化合物復(fù)合微粉較單一微粉具有更好的減摩抗磨性能。

8、層狀硅酸鹽的摩擦學(xué)機(jī)理
由于層狀硅酸鹽的摩擦過程非常復(fù)雜，所以對(duì)于層狀硅酸鹽微粉的摩擦學(xué)機(jī)理還沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，大致有如下幾種觀點(diǎn)：
（1）層間滑動(dòng)機(jī)理層狀硅酸鹽微粉層間范德華力小于層內(nèi)離子力，受到擠壓作用時(shí)，易于沿與層面平行的方向發(fā)生滑移，從而表現(xiàn)出良好的減摩性能；
（2）吸附和沉積機(jī)理分散于潤滑油中的層狀硅酸鹽微粉與摩擦副微凸體接觸時(shí)，層狀硅酸鹽微粉會(huì)被摩擦副微凸體剪切、擠壓和研磨，產(chǎn)生粒度更小的微粉，并與摩擦副表面基體發(fā)生吸附作用，形成一層物理吸附膜，同時(shí)一部分具有高表面能的微粉沉積在摩擦副的凹坑處，對(duì)摩擦副表面進(jìn)行微加工，改善摩擦副的表面形貌。微粉的吸附和沉積阻止了摩擦副的直接接觸；
（3）摩擦化學(xué)機(jī)理微粉通過摩擦副高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生研磨和拋光，在瞬間高溫高壓環(huán)境下，微粉中的元素滲透到金屬的亞表面或在摩擦表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一層含有特定元素的堅(jiān)固耐磨的化學(xué)反應(yīng)膜，將金屬表面隔開，降低了摩擦磨損；
（4）修復(fù)機(jī)理層狀硅酸鹽微粉具有獨(dú)特的亞穩(wěn)態(tài)層狀結(jié)構(gòu)，其斷裂面上存在許多活性中心，如O-Si-O鍵、Si-O-Si鍵、羥基和氫鍵等，微凸體發(fā)生斷裂時(shí)產(chǎn)生的能量形成瞬間點(diǎn)狀高溫，使微粉中的金屬原子（鎂或鋁）與金屬表層的鐵原子發(fā)生置換反應(yīng)，在摩擦表面生成硅酸鐵鹽新晶體，在持續(xù)的摩擦機(jī)械和摩擦化學(xué)作用下，微粉繼續(xù)在摩擦副表面鋪展、壓延，直至形成覆蓋摩擦副表面的自修復(fù)膜層。

9、層狀硅酸鹽微粉在應(yīng)用中存在的問題
到目前為止，層狀硅酸鹽微粉作為潤滑添加劑在商業(yè)上還沒有得到廣泛的應(yīng)用，其主要原因是層狀硅酸鹽微粉作為潤滑添加劑還存在著幾個(gè)重要的問題沒有得到徹底的解決。
（1）層狀硅酸鹽微粉在潤滑油中的分散穩(wěn)定性由于微粉本身具有比表面積大，化學(xué)活性高、易吸附等特點(diǎn)，導(dǎo)致其在液體潤滑介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生團(tuán)聚沉淀，不但不能很好地發(fā)揮減摩抗磨自修復(fù)功能，還可能因?yàn)閳F(tuán)聚而引起磨粒磨損。
采用表面改性的方法對(duì)微粉進(jìn)行表面修飾，在一定程度上可以延緩其團(tuán)聚沉淀，提高其分散穩(wěn)定性。但是表面改性劑有可能會(huì)對(duì)油品最終的性能產(chǎn)生影響，因此如何通過選擇合適的表面改性劑以及修飾工藝以實(shí)現(xiàn)微粉在潤滑油中的穩(wěn)定分散有待深入研究。
（2）層狀硅酸鹽微粉與目標(biāo)潤滑油中其他添加劑的協(xié)同作用現(xiàn)階段關(guān)于礦物微粉添加劑的研究主要是集中在減摩抗磨及自修復(fù)作用上，很少有關(guān)于礦物微粉對(duì)其他傳統(tǒng)添加劑的影響方面的研究。
在實(shí)際應(yīng)用中，成品潤滑油不可能只含有一種添加劑，這就需要考慮各種添加劑之間的互相影響，使各種添加劑能夠在目標(biāo)油品中最優(yōu)地發(fā)揮各自的作用，并且盡量不影響其他添加劑的性能。這方面依然需要一些實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證、優(yōu)化和改進(jìn)。
（3）摩擦機(jī)理的研究在形成統(tǒng)一的摩擦機(jī)理之前，依然需要采用不同的實(shí)驗(yàn)及表征方法去探索新的機(jī)理，驗(yàn)證現(xiàn)有的機(jī)理和假設(shè)。只有很好地掌握其中的作用過程和機(jī)理，才能更有指導(dǎo)性和目的性地去改進(jìn)現(xiàn)有的成果和開發(fā)新的微粉產(chǎn)品。

層狀硅酸鹽微粉作為潤滑添加劑的研究受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注和重視，層狀硅酸鹽微粉潤滑添加劑技術(shù)的突破與創(chuàng)新可為微納米技術(shù)與摩擦學(xué)相結(jié)合找到了一個(gè)準(zhǔn)確的切合點(diǎn)。同時(shí)，由于層狀硅酸鹽微粉應(yīng)用過程中的復(fù)雜性，也對(duì)該類材料的技術(shù)研究提出了新的挑戰(zhàn)。

微納米層狀硅酸鹽微粉作為一種成本低廉、功能全面及使用無污染的固體潤滑材料，可以降低摩擦，修復(fù)磨損，延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命。隨著人們對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色經(jīng)濟(jì)要求的不斷提高，層狀硅酸鹽微粉在潤滑領(lǐng)域定會(huì)顯示出舉足輕重的地位。

資料來源：層狀硅酸鹽礦物粉體作為潤滑添加劑的研究進(jìn)展，作者：杜鵬飛