摩擦导致的磨损是机械部件表面产生微损伤的主要原因之一，而早期的轻度表面微损伤会发展成为严重的表面损伤而带来严重磨损，甚至导致重大事故。因此，广大科研人员通过研究不同的方式来减小摩擦磨损^[1]，而对磨损表面的微损伤进行原位修复成为最为有效的技术。随着微纳米粉体材料制备技术和表面改性技术的发展，该技术逐渐成为国内外的研究热点，已有大量关于不同种类的微纳米材料应用于原位修复技术领域的报道^{[2, 3]}。

凹凸棒石是一种一维纳米硅酸盐矿物材料，具有独特的层链状结构，其晶体中含有大量的纳米级孔道和结构水，其应用广泛，已有大量关于凹凸棒石应用于化工、医药等领域的报道^{[4, 5]}。此外，相关研究表明，凹凸棒石能够用作润滑材料来对金属磨损表面进行原位修复，从而起到减摩抗磨的作用^{[6, 7]}。金属有机化合物是一类很重要的摩擦改进剂，国内外很多研究者相继对多种金属有机化合物进行了深入的研究^{[8, 9]}。油溶性纳米铜是一种应用非常广泛的金属有机物减摩剂，研究表明，在摩擦过程中，由于物理、化学和电化学等作用，纳米Cu颗粒沉积于摩擦表面，形成含有单质铜的低剪切自修复沉积膜，降低了摩擦副间的横向剪切力并补偿了磨损，从而起到减摩自修复的作用^[10-12]。

本工作以凹凸棒石粉体和油溶性纳米铜作为原料，研究了两者的复合润滑添加剂在微动摩擦体系中对矿物润滑油摩擦学性能的影响，探讨了两者的协同作用机理，以期为开发适用于苛刻工况下的减摩自修复润滑剂提供一定的实验依据。

1 实验材料与方法 1.1 实验材料

凹凸棒石粉体和油溶性纳米铜均为市售产品。基础油选用500SN矿物润滑油。将0.5%(质量分数，下同)凹凸棒石粉体、1.0%油溶性纳米铜以及上述两种添加剂的混合物分别添加至基础油当中进行球磨分散，制备出3种润滑剂。

1.2 实验方法

采用Optimal SRV-Ⅳ型微动摩擦磨损试验机研究基础油以及制备出的3种润滑剂的摩擦学性能，摩擦副上试样为GCr15钢球(Φ10mm，HRC61-63)，下试样为45钢圆盘(HRC27-30)，运行过程中上试样作高频率往复运动而下试样保持静止。摩擦学实验条件为：实验温度50℃、实验时间30min、频率50Hz、振幅1000μm，载荷分别为20,50N和100N。摩擦因数由试验机自行在线纪录。钢盘上磨痕的磨损体积由LEXT OLS4000型3D测量激光共焦显微镜测得。

在Nova Nano SEM 650型扫描电子显微镜(SEM)下观察试盘上磨痕的表面形貌；采用ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱仪(XPS)分析钢盘上磨痕表面元素组成及化学状态。

2 结果与分析 2.1 添加剂的表征

图 1所示为油溶性纳米铜的XRD图谱和TEM形貌。由图 1可以看出，油溶性纳米铜的纯度很高，平均粒径约为20nm；图 2为凹凸棒石粉体的XRD图谱和TEM形貌，由图 2可以看出，凹凸棒石粉体的纯度较高，基本未见其他杂质，其粉体颗粒为宽度约50nm的长纤维状。

2.2 添加剂对基础油摩擦学性能的影响

图 3为加载50N时4种润滑剂润滑时的摩擦学性能。由图 3(a)可见，基础油润滑时，开始阶段摩擦因数急剧增大而且波动较大，说明在重载的作用下润滑油膜过早地发生破裂而带来严重的摩擦磨损；经过10min的磨合之后摩擦副之间形成了良好的配合，摩擦因数趋于稳定，但数值依然偏大。添加凹凸棒石粉体之后，摩擦因数显著降低，经过约15min的磨合之后，摩擦因数逐渐趋于稳定，较基础油降低到约44.5%；添加油溶性纳米铜之后，开始阶段摩擦因数非常稳定，12min之后摩擦因数略有增大，较基础油降低到约60.0%。而添加复合添加剂之后，与油溶性纳米铜相比，开始阶段的12min内两者摩擦因数基本相同，而后期复合添加剂的摩擦因数并没有提高，而是长期维持在同一水平直至实验结束，摩擦因数较基础油降低到约68.9%。由图 3(b)可见，与基础油相比，添加凹凸棒石之后，试样的磨损量略有减小。添加油溶性纳米铜之后，磨损量大幅度减低。而添加复合添加剂之后，磨损量较油溶性纳米铜进一步减小。由此可知，凹凸棒石和油溶性纳米铜均能够改善基础油的减摩性和抗磨性，而复合添加剂比单一组元具有更加优越的摩擦学性能。

2.3 载荷对添加剂摩擦学性能的影响

图 4为加载分别为20，50N和100N时含3种添加剂的润滑油润滑时的摩擦因数随时间的变化曲线。由图 4可以看出，在添加凹凸棒石的润滑剂润滑下，开始阶段摩擦因数均不断增大而且波动较大，经过一段时间的磨合之后摩擦因数逐渐趋于稳定，相比较而言，100N时磨合时间最短，而50N时磨合时间最长；实验结束时，100N时摩擦因数最小而50N时最大。在添加油溶性纳米铜的润滑剂润滑下，加载为20N时整个实验过程中摩擦因数都比较稳定；加载为50N时，前15min内摩擦因数稳定维持在略低于20N作用下的水平，而后摩擦因数略有增大并在最后的10min里与20N时处在相同的水平；加载为100N时，开始阶段摩擦因数不断小幅攀升，9min之后急剧增大，随后的3min内摩擦因数较高而且波动较大，最后摩擦因数骤降至0.25左右并维持到实验结束；添加复合添加剂之后，整个实验过程中摩擦因数都保持稳定，载荷越高，摩擦因数越小。图 5所示为含3种添加剂的润滑油润滑时钢盘的磨损体积随载荷的变化规律。可以看出，在添加凹凸棒石的润滑剂润滑下，加载为20N时磨损量较小，随着载荷的提高，磨损量明显增大。在添加油溶性纳米铜的润滑剂润滑下，加载为20N和50N时磨损量较小，载荷增至100N时磨损量明显增大。而在复合添加剂的作用下，试样的磨损量均较小。这说明载荷越高，复合添加剂的减摩性和抗磨性越容易得到体现。

2.4 磨损表面形貌

图 6为加载50N时不同润滑剂润滑时钢盘磨损表面的微观形貌。由图 6可以看出，基础油润滑时，磨损表面损伤严重，出现了大面积的剥落深坑，表现为典型的黏着磨损。在凹凸棒石的作用下，磨损表面相对平整、光滑，呈现出轻微的划痕和一些较浅的小剥落坑。在添加油溶性纳米铜的润滑剂润滑下，磨损表面出现了一些较小、较浅的犁沟。而在复合添加剂的作用下，磨损表面比较光滑致密，仅见少量的微细犁沟。

2.5 磨损表面化学组成和形态

对复合润滑剂润滑下的磨损表面特征元素进行XPS分析，其结果如图 7所示。由图 7可以看出，Fe2p3/2谱图中的4个子峰分别对应Fe(707.3eV),FeS₂(708.6eV),Fe₂O₃(710.4eV)和FeOOH(711.5eV)^{[13, 14]}，O1s的拟合结果说明Fe₂O₃(503.3eV),FeOOH(531.7eV),SiO₂(532.3)和有机化合物(533.1eV和533.8eV)存在于磨损表面^[13]，位于103.3eV的Si2p为SiO₂^[13]，S2p可以拟合为FeS₂(162.4eV)和有机物(163.6eV)^{[13, 14]}，位于134.3eV的P2p对应为含P的有机物^[15]，位于933.2eV的Cu2p3/2为Cu^[15]。

2.6 减摩抗磨机理

从实验结果可以看出，凹凸棒石和油溶性纳米铜的复配具有更加优良的减摩性和抗磨性。分析认为，在高频的往复滑动摩擦过程中，凹凸棒石能够发生羟基脱除反应和化学键断裂，释放出大量的自由氧原子和Si—O悬键，这些释放出的物质与磨损表面的铁原子发生复杂的摩擦化学反应，生成含有多组元铁的氧化物和硅的氧化物的复合陶瓷保护膜，保护膜能够起到降低磨损表面粗糙度和修复磨损的作用^[13]。对于油溶性纳米铜，一方面铜纳米铜颗粒在摩擦过程中熔化铺展成一层致密的物理吸附膜，另一方面油溶性纳米铜中含有的活性元素S和P通过摩擦化学反应在磨损表面生成反应膜^[15]。最终磨损表面形成了含有FeS,Fe₂O₃,SiO₂,Cu,FeOOH和有机物的复合摩擦保护膜，这层保护膜更加光滑致密，能够长时间起到减小摩擦磨损的作用。此外，从摩擦学实验可以看出，载荷越大，复合添加剂的协同性效果更加明显，这说明在复合添加剂作用下生成的保护膜比单一添加剂作用下生成的保护膜更能够承受高载荷的冲击；而且载荷越大，摩擦过程提供的能量越高，越有利于复合摩擦保护膜的形成。

3 结论

(1)凹凸棒石和油溶性纳米铜均具有优良的减摩性和抗磨性，能够显著改善基础润滑剂的摩擦学性能；两者的复合添加剂具有更加优越的减摩性和抗磨性。

(2)载荷越高，复合添加剂的减摩抗磨性越优良；相比较两种单一添加剂而言，复合添加剂更加能够承受高载荷的冲击。

(3)同单一添加剂相比，在复合添加剂的作用下，磨损表面更加光滑致密，磨损表面形成了主要成分为FeS,Fe₂O₃,SiO₂,Cu,FeOOH和有机物的复合摩擦保护膜，起到减小摩擦和抵抗磨损的作用。