本文介绍了一项关于开发新型润滑油添加剂以提升摩擦学性能的原创性研究成果。由Deping Xia、Yonggang Wang、Hui Liu、Hualin Lin*和Sheng Han**合作完成。Hualin Lin来自上海应用技术大学化学与环境工程学院，Sheng Han同时任职于石河子大学化学化工学院和上海应用技术大学化学与环境工程学院，其他作者分别来自上述机构及洛阳太平洋联合石油化工有限公司。该研究发表于《Journal of Alloys and Compounds》期刊，发表于2024年，具体卷期为1007卷，文章号为176236。
该研究的学术背景聚焦于摩擦学与材料科学领域。摩擦与磨损是机械设备运动部件间不可避免的现象，据估计，全球约23%的能源消耗源自摩擦磨损。润滑油是控制和管理摩擦磨损的关键，而开发高效的添加剂是提升润滑油性能的重要途径。纳米二硫化钼因其独特的层状结构和低剪切阻力，被誉为“固体润滑剂之王”，广泛用作润滑油添加剂。然而，纳米MoS₂片层间存在较强的范德华力，易在基础油中团聚，从而显著影响其分散性、稳定性和最终的摩擦学性能。为了克服这一挑战，研究者们通常采用对MoS₂进行化学改性或与其他纳米材料复合的策略。其中，复合策略不仅能改善分散性，还可能通过不同材料间的协同作用，赋予复合材料更优的摩擦学性能和承载能力。勃姆石是一种具有层状结构的氢氧化铝矿物，在高温下可转变为氧化铝，先前研究已表明其作为润滑油添加剂在抗磨和极压性能方面具有潜力。因此，本研究旨在通过将MoS₂与AlOOH复合，开发一种新型的MoS₂/AlOOH纳米复合材料添加剂，探索其协同润滑机制，以期获得优于单一组分的摩擦学性能，为开发高性能MoS₂基润滑添加剂提供新思路。本研究的具体目标包括：通过简便的一锅水热法合成MoS₂/AlOOH纳米复合材料；系统研究其结构、形貌和组成；评估其作为PAO4基础油添加剂的摩擦学性能；并深入分析其润滑机理。
研究流程包含以下几个详细的步骤： 1. 材料合成与样品制备： 研究首先通过一锅水热法制备MoS₂/AlOOH纳米复合材料。具体步骤为：将钼酸钠和硫代乙酰胺溶解于去离子水中，搅拌半小时后，加入超细γ-Al₂O₃粉末，继续搅拌一小时。将混合溶液转移至高压反应釜中，在190°C下反应24小时。反应完成后，产物经过冷却、多次水洗和乙醇洗涤、离心分离，并在60°C下真空干燥24小时，最终得到黑色粉末状的MoS₂/AlOOH纳米复合材料。作为对照，采用类似方法但不添加γ-Al₂O₃或钼酸钠，分别合成了纯MoS₂和纯AlOOH纳米材料。随后，将制备好的纳米材料以不同质量分数（0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 wt%）分散于PAO4基础油中，经超声处理3小时，制得稳定的含添加剂润滑油样品。用于主要摩擦性能对比的样品添加剂浓度均为0.5 wt%。
2. 材料表征： 采用多种表征技术对合成的纳米材料进行系统分析。使用X射线衍射仪分析样品的晶体结构，确认物相组成。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察样品的表面形貌和微观结构，特别是MoS₂在AlOOH表面的负载状态和层间距变化。利用拉曼光谱仪分析材料的振动模式，进一步证实MoS₂与AlOOH的成功复合及其层数变化。采用X射线光电子能谱仪分析材料表面的元素化学状态和电子云密度变化，以阐明复合界面的相互作用。
3. 摩擦学性能测试： 使用四球磨损试验机在室温下评估润滑油的摩擦学性能。测试条件包括：固定转速为1400 rpm，测试时间为30分钟，考察不同添加剂类型、不同浓度（0-1.0 wt%）以及不同载荷（78-118 N）下的摩擦系数和磨斑直径。每个测试至少重复三次以获取平均值和标准偏差。测试后，使用光学显微镜测量磨斑直径，并利用光学轮廓仪获取磨痕表面的三维形貌，计算磨损体积。
4. 磨损表面分析： 为了探究润滑机理，对摩擦测试后的钢球磨损表面进行深入分析。使用扫描电子显微镜观察磨痕表面的微观形貌。利用X射线光电子能谱仪分析磨痕表面的化学组成，检测摩擦化学反应生成的转移膜成分。
研究获得的主要结果如下： 1. 材料结构与形貌表征结果： XRD结果显示，合成的MoS₂/AlOOH复合材料中仅检测到AlOOH的衍射峰，未出现明显的MoS₂特征峰，表明MoS₂高度分散在AlOOH表面。更重要的是，纯MoS₂在9.3°处出现的层间距特征峰在复合材料中消失，暗示其层间距发生了显著改变。拉曼光谱显示，复合材料中MoS₂的E¹₂g和A₁g振动峰分别发生红移和蓝移，频率差增大，表明MoS₂层数增多。SEM和TEM观测直观证实了MoS₂纳米片附着在AlOOH纳米片表面，且分散良好，未发生明显团聚。HRTEM图像直接测量出复合材料中MoS₂的（002）晶面间距为0.75 nm，远大于纯MoS₂的0.61 nm。XPS分析表明，与纯MoS₂和纯AlOOH相比，复合材料中Mo、S、Al、O元素的结合能均发生位移，特别是O 1s谱中与羟基相关的峰结合能升高，这降低了氧原子的电子云密度，不利于AlOOH层间氢键的形成，从而降低了复合材料的剪切阻力。
2. 分散稳定性结果： 沉降实验表明，MoS₂/AlOOH纳米复合材料在PAO4基础油中表现出优异的分散稳定性。超声分散后，含0.5 wt% MoS₂/AlOOH的润滑油在静置5天后仍无明显沉淀，而同等条件下的纯MoS₂油和纯AlOOH油在静置2天后即出现明显沉降。这归因于MoS₂在AlOOH表面的组装有效降低了其比表面能，防止了片层的重新堆叠或聚集。
3. 摩擦学性能测试结果： 在98 N载荷下，PAO4基础油的平均摩擦系数和磨斑直径分别为0.107和0.562 mm。添加0.5 wt% MoS₂/AlOOH复合材料后，二者分别降至0.053和0.324 mm，降幅高达50.47%和42.34%，磨损体积降低了86.57%。其摩擦学性能显著优于添加等量纯MoS₂或纯AlOOH的润滑油，也优于物理混合的MoS₂+AlOOH样品，证明了MoS₂与AlOOH之间存在显著的协同润滑效应。浓度实验表明，最优添加浓度为0.5 wt%，过高浓度会导致磨屑过多和粘着摩擦，反而使性能下降。载荷适应性测试显示，MoS₂/AlOOH添加剂在不同载荷下均能有效降低摩擦和磨损。
4. 磨损表面分析结果： SEM和3D轮廓分析显示，基础油润滑下的磨痕表面存在宽而深的犁沟，磨损严重。而MoS₂/AlOOH油润滑下的磨痕表面相对平坦光滑，磨斑直径和磨损体积最小。XPS分析在磨痕表面检测到了S、Mo、Al、Fe、C、O等元素。Fe 2p谱证实了Fe₂O₃和Fe₃O₄的存在，O 1s谱中在531.3 eV处的峰归属于Al₂O₃中的Al-O键，表明摩擦过程中AlOOH转化成了Al₂O₃。同时，Mo 3d和S 2p谱证实了MoS₂在磨损表面的沉积。这些结果表明，在摩擦过程中，MoS₂/AlOOH纳米复合材料在摩擦界面参与形成了由Fe₂O₃、Fe₃O₄、MoS₂和Al₂O₃组成的稳定的摩擦化学保护膜。
基于以上结果，本研究得出的结论是：通过简单的一锅水热法成功合成了MoS₂/AlOOH纳米复合材料。MoS₂在AlOOH表面的原位组装有效改变了其微观结构，不仅防止了MoS₂纳米片的团聚，提高了其在基础油中的分散稳定性，还通过增大MoS₂层间距和改变AlOOH层间相互作用，降低了材料的剪切阻力。当作为PAO4基础油添加剂时，在0.5 wt%的最佳浓度下，展现出卓越的减摩抗磨性能。其优异的润滑性能源于MoS₂与AlOOH的协同作用，具体润滑机制为：良好分散的纳米复合材料在剪切作用下进入摩擦界面；MoS₂层间易于滑移提供润滑；同时，在摩擦过程中，AlOOH转变为硬质Al₂O₃起到支撑和承载作用，并与释放的MoS₂一同填充磨损微坑；最终，通过复杂的摩擦化学反应，在接触表面形成一层富含Fe₂O₃、Fe₃O₄、MoS₂和Al₂O₄的稳定保护膜，有效隔离摩擦副的直接接触，从而大幅降低摩擦和磨损。
本研究的科学价值在于，首次系统报道了MoS₂/AlOOH纳米复合材料作为润滑油添加剂的摩擦学性能，并深入揭示了其微观结构变化与宏观摩擦学性能提升之间的内在联系，特别是通过XPS和HRTEM等手段阐明了复合引起的电子结构和层间距变化对降低剪切阻力的贡献。应用价值在于为开发高性能、高稳定性的MoS₂基复合润滑添加剂提供了一种有效且简便的合成策略和新的材料体系，有助于推动润滑技术的进步，对于节约能源、延长机械部件寿命具有重要意义。
本研究的亮点在于：1. 创新性的材料设计： 首次将MoS₂与AlOOH通过一锅水热法复合，并作为润滑油添加剂进行研究，发现了二者之间显著的协同润滑效应。2. 深入的机理阐释： 不仅证明了性能提升，还通过多维度表征（XRD、Raman、TEM、XPS）深入分析了复合导致MoS₂层间距增大、AlOOH层间氢键作用减弱等微观结构变化，并关联到其分散性提升和剪切阻力降低的物理本质。3. 完整的性能与机理闭环： 从材料合成、结构表征、分散性评估、摩擦学性能测试到磨损表面化学分析，形成了一个完整的研究链条，有力支撑了所提出的“协同润滑与摩擦化学膜形成”机理。4. 显著的性能提升： 与基础油相比，摩擦系数、磨斑直径和磨损体积的降低幅度非常显著，展现了该复合材料作为高效润滑添加剂的巨大潜力。
此外，研究中还对不同浓度和载荷下的摩擦学行为进行了系统探索，确定了最佳应用参数，为实际应用提供了参考。数据结果通过重复实验和误差棒表示，确保了研究的可靠性和科学性。