润滑油分子科学概述之三摩擦改善剂

摩擦与润滑关系密切。本文对斯特里贝克摩擦曲线和摩擦化学进行了介绍，从分子角度揭示了摩擦表面化学反应实质。同时就润滑油中重要的摩擦改善剂在金属接触面的作用机理和添加剂之间的相互作用关系进行了阐述，展示了摩擦改进剂、抗磨剂和极压剂的内在区别和联系，为润滑油研发人员开发配方提供新思路。

1996年，结合“摩擦”（tribos-）和“学”（-logy）的含义，“摩檫学”（tribology）—词被提出，定义为“相对运动表面相互作用的科学”[1,2]。尽管与其他科技领域相比，摩擦学还比较年轻；但其实在公元前2 000年，人们就已经掌握了关于摩擦的经验知识[3]。摩擦学与我们的现代文明生活也紧密相连——得益于润滑技术，我们通常在使用各种机器设备，如房屋设备、车辆、IT设备、工业制造设备、交通运输设备，享受其便利的同时，并未意识到摩擦学的存在。偶尔也会遇到机器故障，主要原因为运动元件故障，而润滑技术在延长设备使用寿命和提高能效方面具有重要作用。润滑技术还可通过减少机械摩擦，降低设备振动和噪音，创造更为舒适的机械设备操作环境[4]。

大多数应用科学的研究人员都认可润滑技术的重要性，但对润滑技术作为研究课题没有兴趣，可能是因为润滑是—类成熟的技术，因而不是应用科学领域的—项主题。但实际上润滑技术，尤其是润滑剂，仍主要通过反复试错来开发。在工业研发方面，常规方法会消耗大量的时间和资源，在方法设计中合理运用基础科学，可通过提供更高的能效和可持续性，促成研发成功。润滑油分子科学系列文章从基础化学的角度出发，对润滑剂添加剂化学进行阐述，希望可以通过分子科学更好地理解摩擦学现象，推进摩擦学和润滑剂化学的研究。

本系列文章润滑油分子科学系列—和系列二已介绍了基础油与流变剂、性能保持剂[5,6]，系列三为润滑油分子科学系列收官之作，将重点介绍摩擦改善剂，以及该类添加剂作用机理，让读者从分子角度更深入地了解润滑油摩擦磨损机理和添加剂组分间作用机制。

摩擦与润滑

润滑剂是介于摩擦表面之间，防止摩擦面相互移动时产生负面影响的物质。润滑剂的三个主要功能为抗磨、冷却和清洁。液体润滑剂同时具有以上三种功能，应用最为普遍，至今已经开发出各种添加剂并将其应用于液体润滑剂。本文主要涉及液体润滑剂（润滑油）中的添加剂。

图1 斯特里贝克曲线和润滑方式

斯特里贝克（Stribeck）润滑模型

有许多类型的机械元件有着不同的配置，以在不同的运行参数下工作。大多数情况下，润滑系统是单独设计的。尽管如此，—般还是有—个通用的模型来模拟和解释润滑性能，即Stribeck（斯特里贝克）曲线。

斯特里贝克模型主要依据摩擦系数与操作参数（载荷和速度）、材料特性（表面粗糙度和弹性模量）以及润滑剂特性（黏度和压力-黏度关系）的相关性，如图1所示。润滑系统的摩擦系数随黏度、载荷和速度计算出的赫尔西数（Hersey number，黏度＊速度/载荷）变化而变化。当润滑油液体与摩擦面接触时，会在表面之间形成液膜，液膜的厚度Hm定义为摩擦表面间的由基础油产生的液体膜的最小厚度，可通过设备运行参数（载荷和速度）和材料参数（弹性模量和压力黏度关系）计算得到。液膜厚度取决于固体和液体材料的性质，高黏度液体在接触面提供较厚的液膜，而低黏度液体在表面之间提供较薄的液膜。如果液膜的厚度大于表面粗糙度R1和R2（更确切地说，λ＞ 2），则表面可能被液体完全分离，因此表面可以移动而没有固体之间的接触，从而获得低摩擦，该润滑方式被定义为“流体动力润滑”（hydrodynamic lubrication）。 理想情况下，机械元件在流体动力润滑状态下运行，摩擦很低，机械磨损可以忽略。当赫尔西数变小时，润滑状态将转移到边界润滑，机械表面上微观凸起和凹坑相互咬合，从而导致摩擦阻力变大并产生大量磨损，在此润滑状态下，机械材料表面的性质会影响润滑效果。混合润滑是介于流体动力润滑和边界润滑之间的状态。尽管实际现象更加复杂，但这种简化的模型有助于了解各种物质在润滑系统中的作用。如今，斯特里贝克模型已成为预测润滑性能的共识模型。

润滑剂抗磨、冷却和清洁3个功能的相对重要性随具体应用工况变化。如金属加工液必须能够清洗去除接触区的切屑，并同时冷却刀具表面；所以金属加工液通常选用高水基流体，这是因为水基流体的润滑性不如石油基流体，但在清洁和冷却功能以及成本效益方面具有明显优势。虽然金属加工液的润滑性对于防止刀具磨损是必要的，但在大多数情况下，冷却和清洁功能更为关键。而在轴承应用领域中，减少摩擦成为主要问题，冷却和清洁功能为次要问题；轴承—般选用具有优良抗磨性能的润滑脂润滑。通过斯特里贝克曲线可以更清楚地了解不同应用场合对润滑剂需求的差异，金属加工过程中会受边界条件的“严重影响”；而轴承在流体动力（弹性流体动力润滑）状态下工作，在这种情况下，材料的磨损和产热是很小的。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0707/1142.html