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、潤滑以及材料相關領域的研究熱點。層狀硅酸鹽是一類具有層狀結構的固體礦物材料，與石墨和二硫化鉬的結構非常相似，層間結構的范德華力遠小于層內的離子力，當受到擠壓時可以發生層間滑動，具有作為潤滑添加劑的結構優勢；同時層狀硅酸鹽礦物微粉還具有熱穩定性好、成本低廉、功能全面及使用無污染的優點，是一種具有巨大開發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，石墨是一種優良的潤滑劑。但是，當吸附膜解吸后，石墨的摩擦磨損性能會變壞。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
近年來關于蛇紋石的摩擦學研究主要集中在作為自修復添加劑和作為減摩抗磨劑兩個方面。以蛇紋石為主要成分制備的原位磨損自修復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，形成了一層原位自修復膜，實現了摩擦副的自修復。研究表明：
（1）蛇紋石的自修復膜主要成分為Fe₂O₃、含硅有機化合物和有機物碎片。
（2）蛇紋石在摩擦副表面的成膜機理：自修復材料首先在摩擦副表面物理吸附，其次轉變為化學吸附，最后通過能量交換和物質交換形成一層均勻的自修復膜，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，表面修飾過的蛇紋石微粉的潤滑性能要優于未經修飾的蛇紋石微粉。蛇紋石微粉直接參與了摩擦界面復雜的物理和化學作用，誘發形成包含鐵鎂氧化物、水合氧化物、硅的氧化物及其他無機化合物的潤滑膜，從而提高了摩擦副的抗磨損性能及潤滑性能。
（4）在蛇紋石熱處理產物的摩擦學性能方面，發現適當的熱處理溫度（300℃-600℃）可以提高微粉的活性，增強其在摩擦表面的吸附力，從而促進摩擦化學反應膜的形成。

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，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）滑石的層狀結構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，而在室溫下沒有發現過渡膜。
（3）納米滑石及其焙燒產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，是一種具有潛在應用價值的潤滑材料。

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油相比較，平均摩擦因數下降48.8%，對應的摩擦副試件失重減少45.5%。
（2）蒙脫石微粉優良的摩擦學性能與其細小的粒度、層間結合力弱以及與摩擦副的物質交換有關。

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而產生蠕變，本身硬度又較低，還有比較低的抗剪強度和較好的電熱絕緣性，是人造金剛石高溫、高壓設備中的密封材料和傳壓介質。

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，具有作為潤滑添加劑的結構優勢。研究表明：
（1）云母可使磨痕表面形貌由粗糙銳利變為光滑平緩，改善礦物油的摩擦學性能。
（2）云母的摩擦特性受其解理時間、濕度以及測試針尖的變化等多種因素的影響，表面摩擦性能不穩定。

7、層狀硅酸鹽與稀土化合物復合微粉
稀土鑭、鈰等因其六方層狀晶體結構、獨特的外圍電子構型及較大的原子半徑，除具有良好的潤滑性能外，還易與硅、氧等形成高熔點化合物，促進碳、氧及硅向摩擦界面擴散與富集，提高潤滑膜的形成能力、致密性和連續性，可對硅酸鹽微粉的減摩抗磨性能產生積極的作用關于稀土化合物在潤滑過程中所起的作用有兩種觀點：
一是層狀硅酸鹽與稀土化合物復合微粉中稀土化合物直接參與了摩擦界面復雜的物理和化學作用，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作用。
雖然上述觀點對于稀土化合物在潤滑過程中所起的作用不同，但都一致認為層狀硅酸鹽與稀土化合物復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機理
由于層狀硅酸鹽的摩擦過程非常復雜，所以對于層狀硅酸鹽微粉的摩擦學機理還沒有一個統一的認識，大致有如下幾種觀點：
（1）層間滑動機理層狀硅酸鹽微粉層間范德華力小于層內離子力，受到擠壓作用時，易于沿與層面平行的方向發生滑移，從而表現出良好的減摩性能；
（2）吸附和沉積機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，層狀硅酸鹽微粉會被摩擦副微凸體剪切、擠壓和研磨，產生粒度更小的微粉，并與摩擦副表面基體發生吸附作用，形成一層物理吸附膜，同時一部分具有高表面能的微粉沉積在摩擦副的凹坑處，對摩擦副表面進行微加工，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）摩擦化學機理微粉通過摩擦副高速的相對運動產生研磨和拋光，在瞬間高溫高壓環境下，微粉中的元素滲透到金屬的亞表面或在摩擦表面上發生化學反應，生成一層含有特定元素的堅固耐磨的化學反應膜，將金屬表面隔開，降低了摩擦磨損；
（4）修復機理層狀硅酸鹽微粉具有獨特的亞穩態層狀結構，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，微凸體發生斷裂時產生的能量形成瞬間點狀高溫，使微粉中的金屬原子（鎂或鋁）與金屬表層的鐵原子發生置換反應，在摩擦表面生成硅酸鐵鹽新晶體，在持續的摩擦機械和摩擦化學作用下，微粉繼續在摩擦副表面鋪展、壓延，直至形成覆蓋摩擦副表面的自修復膜層。

9、層狀硅酸鹽微粉在應用中存在的問題
到目前為止，層狀硅酸鹽微粉作為潤滑添加劑在商業上還沒有得到廣泛的應用，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定性由于微粉本身具有比表面積大，化學活性高、易吸附等特點，導致其在液體潤滑介質中的分散穩定性較差，容易產生團聚沉淀，不但不能很好地發揮減摩抗磨自修復功能，還可能因為團聚而引起磨粒磨損。
采用表面改性的方法對微粉進行表面修飾，在一定程度上可以延緩其團聚沉淀，提高其分散穩定性。但是表面改性劑有可能會對油品最終的性能產生影響，因此如何通過選擇合適的表面改性劑以及修飾工藝以實現微粉在潤滑油中的穩定分散有待深入研究。
（2）層狀硅酸鹽微粉與目標潤滑油中其他添加劑的協同作用現階段關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作用上，很少有關于礦物微粉對其他傳統添加劑的影響方面的研究。
在實際應用中，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油品中最優地發揮各自的作用，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驗去驗證、優化和改進。
（3）摩擦機理的研究在形成統一的摩擦機理之前，依然需要采用不同的實驗及表征方法去探索新的機理，驗證現有的機理和假設。只有很好地掌握其中的作用過程和機理，才能更有指導性和目的性地去改進現有的成果和開發新的微粉產品。

層狀硅酸鹽微粉作為潤滑添加劑的研究受到了學者們的廣泛關注和重視，層狀硅酸鹽微粉潤滑添加劑技術的突破與創新可為微納米技術與摩擦學相結合找到了一個準確的切合點。同時，由于層狀硅酸鹽微粉應用過程中的復雜性，也對該類材料的技術研究提出了新的挑戰。

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，修復磨損，延長機械設備的使用壽命。隨著人們對低碳經濟、循環經濟和綠色經濟要求的不斷提高，層狀硅酸鹽微粉在潤滑領域定會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展，作者：杜鵬飛