关于MoS₂和BN层状材料作为油添加剂润滑有效性的研究报告
本报告基于发表于《tribology international》期刊第151卷（2020年）的研究论文“An investigation on the lubrication effectiveness of MoS₂ and BN layered materials as oil additives using block-on-ring tests”。该研究由西北工业大学凝固技术国家重点实验室、先进润滑与密封材料中心的吴红星、尹少冲、杜寅、王海峰（通讯作者）以及中国石油兰州润滑油研发研究院的王丽平合作完成。论文于2020年6月15日接收修订稿，并于2020年7月9日在线发表。
一、 研究的学术背景
本研究属于摩擦学（Tribology）与材料科学交叉领域，聚焦于润滑油添加剂技术。层状材料，如二硫化钼（MoS₂）、六方氮化硼（h-BN）、石墨烯等，因其层间较弱的范德华力而易于滑动，长期以来被广泛认为是极具潜力的固体润滑剂或油添加剂。传统的解释机制是“层间剪切机制”，即这些材料在摩擦界面间形成易于剪切的层状结构，从而降低摩擦与磨损。然而，随着二维（2D）纳米材料的兴起，一个关键的科学问题浮现出来：当材料尺度减小到纳米级别，尤其是单层或少数几层时，其层状结构在严苛的摩擦条件下是否稳定存在并持续发挥作用？其润滑性能的根本机制是否仍仅由“层间剪切”主导？
针对此，作者提出了一个核心科学问题：层状材料作为油添加剂展现优异润滑性能的根本机制是什么？特别是，除了经典的“层间剪切机制”外，“沉积摩擦膜机制”是否可能起着关键甚至主导作用？“沉积摩擦膜机制”常见于解释无层状结构的软金属纳米颗粒的润滑行为，它强调通过摩擦化学反应在接触表面生成一层具有保护作用的摩擦膜，而非颗粒本身的物理滚动或滑移。作者推测，对于层状纳米材料，这两种机制可能并存，但何者占主导尚不明确。
此外，以往研究大多采用点接触（如球-盘试验）来评估添加剂的性能，但工业中的齿轮、凸轮-挺杆、滚动轴承等部件常涉及线接触。不同接触形式下的润滑剂行为可能存在显著差异。例如，点接触区域易产生侧向流动，影响添加剂的进入和分布。因此，在线接触条件下，层状材料添加剂的润滑有效性及其机制亟待澄清。
基于以上背景，本研究旨在：1) 在线接触（环-块试验）条件下，系统评估具有相似尺寸和层状结构的MoS₂和BN纳米片作为油添加剂的摩擦学性能；2) 通过对比两者性能的差异，结合对磨痕表面摩擦膜的化学分析及材料热稳定性分析，深入探究其润滑增强的本质机制，澄清层状结构与摩擦膜化学性质各自扮演的角色。
二、 详细研究流程
本研究包含系统且逻辑严密的工作流程，主要包括材料制备、摩擦学测试、表面表征与性能分析四个主要部分。
第一部分：实验材料与样品制备。 研究采用商用MoS₂和BN纳米片作为核心添加剂。为确保公平比较，作者特意选择了尺寸和形貌相似的纳米片（扫描电镜SEM图像显示，MoS₂宽度1-3 μm，厚度约50 nm；BN宽度1-2 μm）。使用γ-氨丙基三乙氧基硅烷（γ-APS）作为偶联剂对纳米片进行表面改性，以增加其在基础油（液体石蜡）中的分散稳定性，随后加入分散剂聚异丁烯丁二酰亚胺（PIBS）进一步改善分散。研究共制备了9种油样，具体包括：纯石蜡基础油（S1）、四种不同浓度（0.05%， 0.1%， 0.25%， 0.5% 质量分数）的MoS₂纳米片油样（S2-S5）和四种相同浓度的BN纳米片油样（S6-S9）。所有样品均通过超声混合制备。
第二部分：摩擦学性能测试。 这是本研究的关键实验环节，旨在模拟线接触工况。研究采用环-块试验机（block-on-ring tester） 进行测试。环试样为AISI52100钢环，块试样为AISI52100钢块，构成线接触。测试在边界润滑条件下进行，设定载荷为210 N，滑动速度为0.3 m/s。这种测试方法的选择是本研究的特色之一，旨在弥补点接触研究的不足，更贴近齿轮等实际工业应用场景。测试中，系统记录了摩擦系数随时间的变化，并在测试结束后测量磨痕宽度和轮廓，以量化磨损程度。此外，研究还考察了不同载荷（150N， 210N， 300N）和不同添加剂浓度对摩擦学行为的影响。
第三部分：材料与磨痕表征。 这一部分旨在从微观和化学层面揭示性能差异背后的原因。首先，使用扫描电镜（SEM）观察了原始纳米片的形貌，确保对比的公平性。其次，使用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对原始纳米片进行了表征，确认了MoS₂和BN的晶体结构和化学成分。在摩擦测试后，对磨痕表面进行了精细的XPS分析，这是揭示润滑机制的核心手段。XPS能够探测表面几个纳米深度内的元素化学状态，从而鉴定摩擦过程中生成的摩擦膜化学成分。例如，分析Mo、S、B、N、O等元素的特征峰位，可以判断是否存在MoS₂、Mo氧化物、BN、B₂O₃等物质。最后，采用热重分析（TGA） 评估了BN纳米片在空气氛围中的热稳定性，以分析其在摩擦产生的高闪温下的行为。
第四部分：数据分析与机理关联。 研究者将摩擦学性能数据（摩擦系数、磨痕宽度/深度）与表面表征结果（磨痕形貌SEM、摩擦膜化学成分XPS）以及材料本征属性（热稳定性TGA）进行综合关联分析。通过比较MoS₂和BN在相同测试条件下截然不同的性能表现，并结合其生成的摩擦膜化学成分的差异，构建了从“现象”到“本质”的逻辑链条，最终推翻了单纯依赖“层间剪切机制”的解释，确立了“沉积摩擦膜机制”的主导地位。
三、 主要研究结果
研究的核心结果揭示了MoS₂与BN纳米片在线接触条件下性能的显著差异，并通过对摩擦膜的分析阐明了其根源。
1. 摩擦学性能的鲜明对比： 这是最直接和令人意外的发现。在环-块试验中，BN纳米片表现出卓越的减摩抗磨性能。例如，在0.25 wt%的最佳浓度和210 N载荷下，其平均摩擦系数低于基础油，磨损宽度和深度分别降低了约27.6%和50%。磨痕轮廓仪测量和SEM图像显示，BN添加剂下的磨痕更浅、更光滑，仅有轻微的犁沟。相反，MoS₂纳米片的性能则完全不符合预期。 在所有测试浓度和载荷下，含MoS₂油样的摩擦系数和磨损宽度均与纯基础油相近，甚至在某些情况下更差。其磨痕表面SEM形貌也显示出与基础油相似的明显犁沟磨损。这一结果与许多基于点接触（球-盘试验）的文献报道相悖，突显了接触形式对纳米添加剂性能评价的关键影响。
2. 摩擦膜化学成分的本质差异： XPS分析结果为性能差异提供了决定性证据。对含0.25 wt% BN油样测试后的磨痕进行分析，在结合能191.1 eV和398.5 eV处分别检测到B–N键的特征峰，证实了BN摩擦膜的存在。更重要的是，在192.2 eV处观察到了B–O键的特征峰，表明摩擦过程中生成了B₂O₃化合物。这意味着BN纳米片在摩擦界面通过摩擦化学反应，生成了一层富含BN和B₂O₂的硼基摩擦膜。对于含0.25 wt% MoS₂的油样， XPS在磨痕表面检测到了MoS₂的特征峰（Mo 3d: 228.8, 232.7 eV; S 2p: 162.1, 163.8 eV），但也发现了Mo氧化物（Mo 3d: 232.0, 235.5 eV）的明显信号，表明MoS₂在摩擦过程中被氧化，形成了一种复杂的MoS₂/MoOₓ混合摩擦膜。
3. 材料热稳定性的关键作用： TGA分析表明，BN纳米片在空气氛围中具有极高的热稳定性，直至800°C仍保持稳定，没有明显的质量损失或相变吸放热峰。而文献指出，MoS₂在约500°C的空气中便开始氧化为MoO₃。考虑到摩擦过程中局部闪温可高达数百甚至上千摄氏度，BN因其优异的热氧化稳定性，能够在苛刻条件下保持其结构并参与形成稳定的摩擦膜；而MoS₂则可能因氧化导致其润滑性能恶化。这解释了为何在线接触（可能产生更高局部温度/压力）条件下，MoS₂的性能不如BN。
4. 对传统润滑机制的挑战与澄清： 基于以上结果，研究对传统观点进行了深入辨析。首先，“层间剪切机制”无法解释本实验现象：因为MoS₂和BN具有相似的层状结构和弱的层间范德华力，若该机制主导，两者应表现出相似的优异润滑性能，但事实却相反。其次，“微轴承滚动机制”也难以成立：若纳米片仅作为滚动体，尺寸形状相似的MoS₂和BN颗粒应产生相近的减摩效果，但实验结果否定了这一点。因此，唯一合理的解释是 “沉积摩擦膜机制” 。润滑性能的优劣不取决于添加剂颗粒本身的层状结构，而是取决于其在摩擦界面生成的摩擦膜的化学性质、强度和稳定性。BN纳米片能生成高硬度、高抗氧化性的硼基摩擦膜（含B₂O₃），从而提供优异的抗磨损保护。而MoS₂生成的摩擦膜可能因氧化等原因，其强度和承载能力不足以在线接触条件下有效保护表面。
四、 研究结论与意义
本研究得出以下核心结论： 1. 在线接触条件下，BN纳米片作为油添加剂展现出显著的润滑增强效果，能有效降低摩擦和磨损；而MoS₂纳米片则未表现出预期的减摩抗磨性能，其效果与基础油相近。 2. 性能差异的根源在于摩擦过程中形成的摩擦膜性质不同。BN添加剂在表面形成了含BN和B₂O₃的硼基摩擦膜，而MoS₂添加剂则形成了含MoS₂和Mo氧化物的复杂摩擦膜。 3. 决定层状纳米材料润滑性能的关键因素不是其层状结构或层间剪切作用，而是其通过摩擦化学反应形成的摩擦膜的化学成分、热稳定性和机械强度。“沉积摩擦膜机制”是理解和设计此类添加剂更普适、更先进的机理。 4. 环-块试验（线接触）是评估纳米添加剂润滑有效性的一种有效方法，其结果可能与点接触测试不同，对工业应用更具指导意义。
本研究的科学价值在于，它挑战了关于层状润滑添加剂机理的固有认知，将关注点从添加剂的晶体结构本身转移到了摩擦界面的化学过程和最终形成的摩擦膜特性上。这为未来设计新型润滑油添加剂提供了全新的思路：即应致力于寻找那些能在摩擦界面生成高强度、高稳定性（如高抗氧化性）摩擦膜的材料，而不必拘泥于材料是否具有层状结构。例如，本研究指出，基于硼的二维材料（低硫、低磷）是极具前景的添加剂候选者。
五、 研究亮点
六、 其他有价值的内容
研究在讨论部分还提及，添加剂与润滑油中其他组分（如分散剂）的相互作用、摩擦膜的更深层性质（XPS仅探测最表面数纳米）等，是未来值得深入研究的方向。这为后续工作指明了潜在的研究路径。此外，作者团队此前在点接触条件下对MoS₂润滑机制（如颗粒进入接触区的方式）的研究也为本次线接触研究的对比和深化提供了背景支撑，体现了研究的延续性和系统性。