CN109022110A - 以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂及其制备方法，特别涉及一种常温附近呈液态的二元、三元或四元镓基液态金属合金制成的液态金属润滑剂，采用质量比为0.01％‑3％的微纳米粉末作为添加剂与质量比为97％‑99.9％的镓基液态金属合金进行机械分散混合，经过三辊机进行充分研磨后制成，本发明的液态金属润滑剂在重载高速高温等苛刻工作条件下具有优异的润滑性能，同时由于添加了微纳米颗粒能够填补金属表面磨痕，达到对摩擦副表面磨损的自修复。

Description

以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明提供一种液态金属润滑剂，属于润滑技术领域，特别是一种以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂及其制备方法。

背景技术

液态金属指的是在室温附近呈液态的金属，镓基液态金属在常温下具有好的流动性、优异的导热与导电性能，低熔点、高沸点、不易挥发、无毒，具有广泛的应用价值。

随着工业技术的发展设备不断向高速、重载、集成化、高精度方向发展，由于机械运行条件的苛刻及内部温度过高导致的摩擦磨损已成为提高机械寿命的最大制约因素。传统的润滑主要基于两个原理：(1)利用流体压力分隔表面，避免接触；(2)以牺牲性的表面化学膜保护表面，避免粘着和磨粒磨损的损伤。因此润滑油在改善机构润滑状态中起着关键的作用。为了改良润滑油的技术指标，以取得更好的润滑效果，纳米颗粒作为添加剂在润滑中得到了广泛的应用。

纳米材料科学的发展推动了纳米润滑技术的发展，纳米级材料作为润滑油添加剂的研究已受到广泛关注。已经发现的纳米金属、纳米氧化物、纳米硫化物、碳纳米管、富勒烯、金刚石以及纳米磁性颗粒等都能使润滑油的润滑性能大幅提高。

传统以基础油或者在基础油中添加抗磨减摩添加剂等作为润滑剂，例如现有的一些极压润滑剂(如齿轮油，极压润滑脂)在高温、极压工作条件下，其抗胶合性能仍有待提高，并且在高温工况下，传统润滑剂其沸点较低，易发生气化或变质，无法满足过高温度的使用情况。

采用液态金属作为润滑剂，具有超宽的液态温区，其沸点在2000℃以上，且流动性好，中国专利CN105062613A公开了一种润滑剂及其制备方法和应用，制备得到的镓基液态金属润滑剂在四球摩擦试验机以及plint TE-92摩擦磨损实验机上对其摩擦磨损性能进行了系统的表征与测试。发现其具有优异的极压润滑性能；同时，其烧结负荷远高于现有的极压润滑油、脂等。因此，采用液态金属润滑剂代替传统润滑油、脂等，能够有效的提高其耐高温性能，同时采用纳米颗粒作为添加剂，使得制成的润滑剂润滑性能大幅提高，并且润滑剂中的纳米颗粒能够对磨损表面进行自修复，有效的提高摩擦副的承载能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂及其制备方法。本发明液态金属润滑剂在重载高速高温等苛刻工作条件下具有优异的润滑性能，同时由于添加了微纳米颗粒能够填补金属表面磨痕，达到对摩擦副表面磨损的自修复。

实现本发明目的的技术解决方案如下：

一种以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂，优选其中所述微纳米粉末与液态金属的质量比为(0.01-3):(97-99.99)。

更进一步地，所述微纳米粉末与液态金属的质量比为(0.1-1):(99-99.9)。

较佳地，所述微纳米粉末与液态金属的质量比为0.3:99.7。

进一步地，所述液态金属润滑剂由所述微纳米粉末与液态金属组成，其中所述微纳米粉末的质量分数为0.01％-3％，余量为液态金属。优选地，所述液态金属润滑剂由所述微纳米粉末与液态金属组成，其中所述微纳米粉末的质量分数为0.1％-1％；更优选地，其中所述微纳米粉末的质量分数为0.3％。

本发明研究发现，所述微纳米粉末与液态金属在上述配比范围内，能够大幅提高润滑性能，一方面纳米微粒由于尺寸极小且形状类似圆形，可在零件相对运动时产生微轴承效应，变滑动摩擦为滑动和滚动复合摩擦，起到减小摩擦的作用；另一方面纳米微粒具有很高的表面能，能吸附在金属表面形成吸附膜，随着运动的进行温度的升高纳米微粒渗透到材料表面在表面使材料的硬度大幅提高，抗磨能力大大加强；同时由于颗粒尺寸很小远远小于摩擦副表面磨损产生的磨痕，因此可以填补金属表面磨痕，从而达到修复损伤的功能，对受损零件表面进行自修复。

进一步地，所述液态金属选自二元、三元或四元镓基液态金属合金；优选选自常温附近呈液态的二元、三元或四元镓基液态金属合金。

所述液态金属，不同金属组分物理化学特性不同、熔点不同，可根据实际需求使用其中一种或几种或多种按所需比例混合。

优选所述液态金属中镓的质量分数为60％-80％。

优选地，所述二元镓基液态金属合金选自含有质量分数为72％-78％的镓和余量(例如22％-28％)的铟，或是含有质量分数为80％-90％的镓和余量(例如10％-20％)的锡、或是含有质量分数为90％-97％的镓和余量(例如3％-10％)的锌、或是含有质量分数为99％-99.5％的镓和余量(例如0.5％-1％)的铝中的一种或几种。

优选地，所述三元镓基液态金属合金选自含有质量分数为60％-70％的镓、22％-28％的铟和余量(例如8％-28％)的锡、或是含有质量分数为65％-70％的镓、20％-30％的铟和余量(例如5％-10％)的锌中的一种或几种。

在本发明一个较佳的实施例中，所述三元镓基液态金属合金为Ga_68.5In_21.5Sn₁₀。

优选地，所述四元镓基液态金属合金为含有质量分数为60％-69％的镓、20％-29％的铟、8％-15％的锡和余量(例如0.1％-3％)的锌。

在本发明一个较佳的实施例中，所述三元镓基液态金属合金为Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁。

进一步地本发明所述微纳米粉末添加剂为纳米氧化物、纳米硫化物、硼酸盐中的一种或几种或多种。

优选地，所述纳米氧化物包括纳米氧化锌、三氧化二铝、氧化硅、氧化锆、四氧化三铁、二氧化钛中的一种或几种或多种；

优选地，所述纳米硫化物包括硫化钼、硫化锌中的一种或几种或多种；

优选地，所述硼酸盐包括硼酸钙、硼酸镁、硼酸钛、硼酸铜中的一种或几种或多种。

进一步地，本发明所述微纳米粉末添加剂的粒径为10nm-100nm。实验证明，在该粒径范围内的微纳米粉末能够大幅提高润滑性能，有效的提高摩擦副的承载能力。

本发明还提供上述以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂的制备方法，包括将所述微纳米粉末分散于经过氧化处理(去氧化皮处理)的液态金属中，搅拌混匀后，经过充分研磨(三辊机)，即可获得均匀混合的液态金属润滑剂。制备方法具体包括如下步骤：

(1)将经去氧化皮处理的液态金属置于容器中密封后进行磁力搅拌，使其呈现膏状，得到一定粘度的液态金属；

优选地，所述磁力搅拌转速为500rad/min—1500rad/min间隔上升，每5min增加200转；

优选地，所述搅拌时间为30min-60min；

(2)按配比将所述微纳米粉末添加剂和步骤(1)处理所得液态金属充分混合均匀(一般可磁力搅拌10min-30min)；研磨(三辊机)，即可得到混合均匀的液态金属润滑剂。

所述液态金属可按本领域常规方法制备。例如按照配比称取各组分金属并放入同一容器中进行加热，使各组分金属均融化为液态，并在30±10℃的水浴中超声混合30min-60min，使其均匀混合得到所述液态金属。

所述去氧化皮处理可采用本领域常规方法进行。例如向液态金属加入pH为13-15的碱溶液，使碱溶液漫过液态金属表面，在30±10℃的水浴环境下进行磁力搅拌(一般10min左右),使液态金属表面的氧化物充分反应；然后将碱溶液分离，得到去氧化皮处理的液态金属。

优选地，所述碱溶液中的碱为氢氧化钠。

具体地，可采用0.5mol/L的NaOH溶液。

本发明还包括上述液态金属润滑剂在润滑机械零部件上的应用。

本发明所用原料均可市售购得，或按本领域常规方法制备。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，即得本发明各较佳实例。

此外，应理解，本文中，“包括”、“包含”、“含有”等术语的含义中也包括了“由……组成”、“由……构成”、“由……制成”等。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)液态金属具有超宽液态温区，在室温-2000℃成液体状态，不易挥发，对人体无毒，相比将传统润滑剂，更耐高温，在高温工况下，不易发生气化或变质；(2)采用纳米颗粒作为添加剂，使得制成的润滑剂润滑性能大幅提高，并且润滑剂中的纳米颗粒能够对磨损表面进行自修复，有效的提高摩擦副的承载能力。

附图说明

图1是本发明具体应用实施例1电镜扫描分析和能谱分析结果示意图。

图2是本发明具体应用实施例2电镜扫描分析和能谱分析结果示意图。

图3是本发明以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂原理示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

实施例1

按组分配制镓基三元液态金属合金Ga_68.5In_21.5Sn₁₀，并将其注入0.5mol/L的NaOH溶液中，在30±10℃的水浴环境下进行磁力搅拌10min，进行去氧化皮处理后得到纯净的Ga_68.5In_21.5Sn₁₀液态金属合金，随后倒入烧杯中密封后进行磁力搅拌30min-60min(转速为500rad/min—1500rad/min间隔上升，每5min增加200转)，呈现膏状，得到粘度较高的Ga_68.5In_21.5Sn₁₀液态金属。

按比例称取0.3份粒径为30nm的三氧化二铝纳米粉末添加剂和99.7份的上述搅拌处理的Ga_68.5In_21.5Sn₁₀液态金属；将微纳米粉末添加剂加入搅拌处理后的Ga_68.5In_21.5Sn₁₀液态金属中进行磁力搅拌10min-30min，使其充分混合，导入三辊机进行研磨，得到混合均匀的Ga_68.5In_21.5Sn₁₀—Al₂O₃润滑剂。

把制备好的Ga_68.5In_21.5Sn₁₀—Al₂O₃润滑剂，经过电镜扫描分析和能谱分析，如图1结果显示液态金属Ga_68.5In_21.5Sn₁₀中混有均匀充分的Al₂O₃，实际可行。

实施例2

按组分配制镓基四元液态金属合金Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁，并将其注入0.5mol/L的NaOH溶液中，在30±10℃的水浴环境下进行磁力搅拌10min，进行去氧化皮处理后得到纯净的Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁液态金属合金,随后倒入烧杯中密封后进行磁力搅拌30min-60min(转速为500rad/min—1500rad/min间隔上升，每5min增加200转)，得到粘度较高的Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁液态金属；

按比例称取0.3份粒径为30nm的三氧化二铝纳米粉末添加剂和99.7份的搅拌处理的Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁液态金属；将微纳米粉末添加剂加入搅拌处理后的Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁液态金属中进行磁力搅拌10min-30min，使其充分混合，导入三辊机进行研磨，得到混合均匀的Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁—Al₂O₃液态金属润滑剂。

把制备好的Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁—Al₂O₃润滑剂，经过电镜扫描分析和能谱分析，如图2结果显示液态金属Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁中混有均匀充分的Al₂O₃，实际可行。

对比例1

即实施例1制备的粘度较高的Ga_68.5In_21.5Sn₁₀液态金属(不添加任何微纳米粉末)。

如图3所示为加入三氧化二铝纳米粉对两摩擦副磨损表面进行自修复的原理示意图。

对比中国专利CN105062613A制备得到的镓基液态金属润滑剂，本发明实施例1中制备好的Ga_68.5In_21.5Sn₁₀—Al₂O₃润滑剂除本身具有很好的极压润滑性能之外，添加Al₂O₃纳米粉末作为填料，能够在润滑过程中对两摩擦副磨损表面进行修复，可降低和减缓零件表面磨损，能够有效的提高摩擦副的承载能力。

对比例2

即实施例2制备的粘度较高的Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁液态金属(不添加任何微纳米粉末)。

如图3所示为加入三氧化二铝纳米粉对两摩擦副磨损表面进行自修复的原理示意图。

对比中国专利CN105062613A制备得到的镓基液态金属润滑剂，本发明实施例2中制备好的Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁—Al₂O₃润滑剂除本身具有很好的极压润滑性能之外，添加了Al₂O₃纳米粉末作为填料，可见，加入三氧化二铝纳米粉末能够在润滑过程中对两摩擦副磨损表面进行修复可降低和减缓零件表面磨损，能够有效的提高摩擦副的承载能力。

本发明以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂具有以下优势：(1)增加其粘度，偏向脂类润滑；(2)添加微纳米粉末添加剂是为了减小两个摩擦副之间摩擦、填补修复磨损表面。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种以微纳米粉末作为添加剂的液态金属润滑剂，其特征在于，优选所述微纳米粉末与液态金属的质量比为(0.01-3):(97-99.99)。

2.根据权利要求1所述的液态金属润滑剂，其特征在于，所述微纳米粉末与液态金属的质量比为(0.1-1):(99-99.9)；优选为0.3:99.7。

3.根据权利要求1所述的液态金属润滑剂，其特征在于，所述液态金属润滑剂由所述微纳米粉末与液态金属组成，其中所述微纳米粉末的质量分数为0.01％-3％，余量为液态金属；

优选地，所述微纳米粉末的质量分数为0.1％-1％；更优选地，所述微纳米粉末的质量分数为0.3％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的液态金属润滑剂，其特征在于，所述液态金属选自二元、三元或四元镓基液态金属合金；优选所述液态金属中镓的质量分数为60％-80％。

5.根据权利要求4所述的液态金属润滑剂，其特征在于，所述二元镓基液态金属合金选自含有质量分数为72％-78％的镓和余量的铟，或是含有质量分数为80％-90％的镓和余量的锡、或是含有质量分数为90％-97％的镓和余量的锌、或是含有质量分数为99％-99.5％的镓和余量的铝中的一种或几种；或，

所述三元镓基液态金属合金选自含有质量分数为60％-70％的镓、22％-28％的铟和余量的锡、或是含有质量分数为65％-70％的镓、20％-30％的铟和余量的锌中的一种或几种；优选为Ga_68.5In_21.5Sn₁₀；或，

所述四元镓基液态金属合金为含有质量分数为60％-69％的镓、20％-29％的铟、8％-15％的锡和余量的锌；优选为Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁。

6.根据权利要求1-5任一项所述的液态金属润滑剂，其特征在于，所述微纳米粉末添加剂为纳米氧化物、纳米硫化物、硼酸盐中的一种或几种或多种；

优选地，所述纳米氧化物包括纳米氧化锌、三氧化二铝、氧化硅、氧化锆、四氧化三铁、二氧化钛中的一种或几种或多种；和/或，

优选地，所述纳米硫化物包括硫化钼、硫化锌中的一种或几种或多种；和/或，

优选地，所述硼酸盐包括硼酸钙、硼酸镁、硼酸钛、硼酸铜中的一种或几种或多种。

7.根据权利要求1-6任一项所述的液态金属润滑剂，其特征在于，所述微纳米粉末添加剂的粒径为10nm-100nm。

8.权利要求1-7任一项所述液态金属润滑剂的制备方法，其特征在于，包括将所述微纳米粉末分散于经过氧化处理或去氧化皮处理的液态金属中，搅拌混匀后，经过充分研磨，即可。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将经去氧化皮处理的液态金属置于容器中密封后进行磁力搅拌，使其呈现膏状，得到一定粘度的液态金属；

所述磁力搅拌转速为500rad/min—1500rad/min间隔上升，每5min增加200转；优选地，所述搅拌时间为30min-60min；

(2)按配比将所述微纳米粉末添加剂和步骤(1)处理所得液态金属充分混合均匀；研磨，即可。

10.权利要求1-7任一项所述液态金属润滑剂或权利要求8或9所述方法制备的液态金属润滑剂在润滑机械零部件上的应用。