1、納米材料的結(jié)構(gòu)與特性

　　
        同宏觀上三維方向都具備足夠大尺寸的常規(guī)材料相比，納米材料是一種低維材料，即在一維、二維甚至三維方向上尺寸為納米級(jí)(0.1～100nm)。納米材料按空間維數(shù)分為以下四種：

　　(1)零維的原子簇和原子簇的集合，即納米粒子；

　　(2)一維的多層薄膜,即納米膜；

　　(3)二維的超細(xì)顆粒覆蓋膜；

　　(4)三維的納米塊體材料。

　　由于納米材料的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨材料尺寸的急劇變小而急劇增大，表面原子的晶場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同，表面原子周圍缺少相鄰原子，因而具有許多懸空鍵，具備不飽和性質(zhì)，表面積、表面能和表面結(jié)合能都迅速增大，產(chǎn)生了所謂的“表面效應(yīng)”。當(dāng)納米材料尺寸同傳導(dǎo)電子的直布羅意波長相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞,材料的磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻等性質(zhì)比起普通體相材料都發(fā)生了很大變化，這稱為納米材料的“體積效應(yīng)”。隨著納米材料的尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)的現(xiàn)象稱為“量子尺寸效應(yīng)”。

　　納米材料上述獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致納米材料產(chǎn)生了諸如高擴(kuò)散性、易燒結(jié)性、熔點(diǎn)降低、硬度增大、催化反應(yīng)活性增大等一系列特性，使得它在精細(xì)陶瓷、催化劑、電子元件、磁光元件等方面得到廣泛應(yīng)用。

　　
2、納米材料潤滑作用機(jī)理

　　
        納米粒子作為潤滑材料有明顯的作用，但其作用機(jī)理還沒有真正研究清楚，目前對(duì)其作用機(jī)理有多種推測(cè)。一種理論認(rèn)為，納米粒子尺寸較小，近似球型，在摩擦副間可以像鵝卵石一樣自由滾動(dòng)，類似微軸承作用，減少了摩擦阻力，降低了摩擦系數(shù)，減少了磨損，這種“滾珠軸承”的摩擦原理目前還缺乏進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)支持。另外一種理論是薄膜理論，認(rèn)為在摩擦過程中納米粒子在摩擦副上形成一層納米薄膜，納米薄膜的功能不同于一般的薄膜，它的韌性、抗彎強(qiáng)度均大大優(yōu)于一般薄。這層膜減小了摩擦，提高了承載能力從而減輕了磨損。另外，“第三體”抗磨機(jī)理認(rèn)為，納米粒子添加劑對(duì)摩擦副凹凸表面的填充作用以及表面的摩擦化學(xué)反應(yīng)形成了穩(wěn)定的“第三體”，具備優(yōu)越的抗磨效果。

　　有些研究者認(rèn)為，納米微粒添加劑的作用機(jī)理不同于傳統(tǒng)添加劑，與其本身所具有的納米效應(yīng)有關(guān)。在摩擦過程中，因摩擦表面局部溫度高，納米微粒尤其像N2TiO2這類微粒極有可能處于溶化、半溶化或燒結(jié)狀態(tài)，從而形成一層納米膜，納米膜不同于一般的薄膜，它的韌性、抗彎強(qiáng)度均大大優(yōu)于一般薄膜。另外，納米微粒具有極高的擴(kuò)散力和自擴(kuò)散能力(比體相材料高十幾個(gè)數(shù)量級(jí))，容易在金屬表面形成具有極佳抗磨性能的滲透層或擴(kuò)散層，表現(xiàn)出“原位摩擦化學(xué)原理”。這種機(jī)理認(rèn)為，納米添加劑的潤滑作用不再取決于添加劑中的元素是否對(duì)基體是化學(xué)活性的，而很大程度上取決于它們是否與基體組分形成擴(kuò)散層或滲透層和固溶體。

　　上述分析闡明，納米添加劑(尤其在高負(fù)荷條件下)的潤滑作用不再取決于添加劑中的元素是否對(duì)基體是化學(xué)活性的，而很大程度上決定于它們是否與基體組分能形成擴(kuò)散層或滲透層和固溶體，這可解決在添加劑設(shè)計(jì)上長期依賴S、P、Cl等活性元素的狀況，為解決S、P、Cl帶來的環(huán)境問題展示了美好的應(yīng)用前景。

　　
3、問題與展望

　　
        目前的研究工作表明納米粒子作為潤滑油添加劑能明顯改善潤滑油的摩擦學(xué)特性，與基礎(chǔ)油相比具有明顯的抗磨減摩性能。納米粒子綜合了流體動(dòng)壓潤滑和固體潤滑添加劑的優(yōu)點(diǎn)，但又不同于傳統(tǒng)的固體潤滑添加劑，適合在重載、高溫、低速的條件下工作。但是目前的研究工作僅僅只是一個(gè)開端，還有許多的問題需要研究解決。

　　首先，為了進(jìn)一步弄清納米粒子的潤滑本質(zhì)，目前的潤滑機(jī)制理論還需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。其次，還需要開發(fā)出經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的納米粒子的制備方法。第三，還需要建立與納米摩擦學(xué)相匹配的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)裝置。最后，納米粒子在潤滑介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性是一個(gè)迫切需要解決的問題，這不但需要改進(jìn)目前的合成方法以改善其油溶性，還需要合成有效的分散劑和穩(wěn)定劑。

　　對(duì)不同粒子的配伍問題研究的還較少，尤其是納米金屬顆粒對(duì)油品氧化安定性影響的研究。對(duì)抗磨減摩的機(jī)理研究不成熟，今后還要在以下方面進(jìn)一步開展工作：

　　(1)結(jié)構(gòu)型納米顆粒材料表現(xiàn)出了很好的摩擦學(xué)性能，其表現(xiàn)也較為穩(wěn)定。應(yīng)重點(diǎn)跟蹤開展類似研究并考慮納米效應(yīng)下的機(jī)理研究，尤其是研究此種顆粒沉淀到摩擦表面上的機(jī)制。

　　(2)研究納米顆粒與其它添加劑的配伍情況即納米顆粒與油品兼容性的研究，尤其是納米金屬顆粒對(duì)油品氧化安定性影響的研究。

　　(3)隨著納米摩擦學(xué)的發(fā)展,如何在考慮納米概念的條件下評(píng)價(jià)摩擦學(xué)性能，發(fā)展和研制相應(yīng)的測(cè)試儀器和測(cè)試手段，制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都是今后應(yīng)該考慮的重點(diǎn)。

　　(4)應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)特殊環(huán)境，如高溫、重載、修復(fù)、環(huán)境友好等條件下納米潤滑添加劑的潤滑性能研究。

　　(5)加強(qiáng)表面修飾納米微粒的制備和表征技術(shù)；綜上所述，納米材料在潤滑領(lǐng)域有著廣闊的前景。大量研究表明，納米添加劑不僅可以起到抗磨減摩作用，還可以延長器械的使用壽命，減少污染，節(jié)約能源，使免維修成為可能。

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