这是一篇由 ZiYan Lu, QingQing Lin, ZhaoTao Cao, WanYuan Li, JunJie Gong, Yan Wang, KunHong Hu, and XianGuo Hu 共同撰写，发表于 Lubricants 期刊（2023年11卷，527期）的综述论文。论文于2023年10月29日提交，修订于11月30日，接受于12月9日，最终于2023年12月11日正式出版。作者单位包括合肥工业大学摩擦学研究所和合肥大学能源材料与化学工程学院。该综述的题目为《Mos2 Nanomaterials as Lubricant Additives: A Review》，系统地回顾和总结了二硫化钼纳米材料作为润滑油添加剂的研究进展、面临的挑战以及未来展望。
论文主要论点与论述
1. 研究背景与重要性：传统润滑油添加剂的局限性与纳米材料作为新型添加剂的优势 论文开篇即指出，摩擦磨损是工业领域普遍存在的关键问题，导致巨大的能源浪费和设备寿命缩短。润滑油，特别是由基础油和各种添加剂构成的润滑剂，是减少摩擦磨损、提高能效的关键。然而，传统的抗磨极压添加剂，如二烷基二硫代氨基甲酸钼和二烷基二硫代磷酸锌，虽然有效，但随着工业发展对润滑剂耐高温高压等极端工况性能要求的提高，正面临严峻挑战。相比之下，纳米材料因其尺寸小、比表面积大、表面活性高，能够轻易进入摩擦接触区，并通过物理或化学吸附在摩擦副表面形成稳定的保护膜，展现出超越传统添加剂的潜力。在众多纳米材料中，二维过渡金属硫族化合物，特别是二硫化钼，因其与石墨烯类似的分层结构和在固体润滑领域的“润滑之王”美誉，作为润滑油添加剂的研究备受关注。
支持论据与子观点： * 能源消耗数据：论文引用文献指出，机械系统中因摩擦磨损导致的能源浪费约占1/3到1/2，凸显了改进润滑技术的紧迫性。 * 传统添加剂的工作原理与局限：传统添加剂通过在金属表面发生原位反应生成有益产物来发挥作用，但其性能在极端条件下难以满足需求。 * 纳米添加剂的独特机制：纳米添加剂通过“滚动轴承”效应、层间滑移、形成摩擦反应膜等多种机制协同作用，有效隔离摩擦表面，降低剪切阻力。 * MoS₂的固有优势：MoS₂具有独特的S-Mo-S“三明治”层状结构，层间通过微弱的范德华力结合，易于滑移，赋予其极低的摩擦系数。即使在超高温、超真空等特殊条件下也能保持良好的润滑性能。
2. MoS₂纳米材料的合成方法综述 论文详细梳理了用于制备润滑油添加剂用MoS₂纳米材料的多种合成方法，并分析了各自的优缺点。这是系统应用MoS₂作为添加剂的基础。 * 机械剥离法：最早的制备方法，使用胶带从块体MoS₂上剥离得到薄层。此法获得的材料结晶度高，但效率低、重复性差，难以大规模应用。后续发展出超声辅助剥离法，通过引入溶剂（如1-十二烷基硫醇、氯仿）或辅助剂（壳聚糖/乙酸溶液）来提高剥离效率和层数控制。 * 水热法：在密闭反应釜中以水为介质，在高温高压下合成材料。该方法产物晶粒发育完全、尺寸均匀、团聚轻，是制备二维MoS₂及其纳米复合材料的常用方法。论文列举了多个实例，如以钼酸铵、硫脲等为原料，在约200°C下反应合成花状微球、空心核壳结构以及碳球@1T-MoS₂复合材料等。但水热法对设备要求高，反应条件苛刻，且无法实时观察反应过程。 * 溶剂热法：水热法的变体，使用有机溶剂（如N，N-二甲基甲酰胺、乙二醇）作为反应介质。适用于制备在水中易氧化、水解或对水敏感的材料。通过调节溶剂种类和比例，可以更好地控制产物的形貌。例如，以DMF和水混合溶剂可制备MoS₂/氮掺杂还原氧化石墨烯复合材料。溶剂热法通常对材料性能影响更大，但更容易获得理想的形貌。 * 液相沉淀法：通过控制反应体系的酸度和温度，使目标产物从溶液中沉淀出来。该方法成本低、操作简单、反应条件温和，适合工业化生产。论文详细介绍了以钼酸钠为钼源，硫代乙酰胺或硫化钠为硫源，通过调节pH值和后续煅烧处理，制备出纳米球、纳米片等不同形貌MoS₂颗粒的工艺路径。硫源的选择对前驱体形貌和最终产物尺寸有显著影响。
3. MoS₂纳米材料在润滑油中的分散稳定性问题及解决方案 论文强调，分散稳定性是MoS₂纳米材料作为润滑油添加剂实际应用的前提和挑战。由于纳米颗粒尺寸小、表面能高，极易团聚和沉降，从而影响润滑系统的稳定性和性能。综述将改善分散稳定性的方法分为物理法和化学法两大类。 * 物理方法：主要通过机械外力实现分散，如机械搅拌、超声处理、球磨和高剪切均质等。其中超声处理是最常用的方法，通过超声波在液体中产生的空化作用破碎团聚体。然而，超声时间不足或过长都可能导致分散效果不佳，且大规模工业化应用存在能耗和设备成本问题。将超声与微波辅助球磨等技术结合可获得更好效果。 * 化学方法：这是提高分散稳定性的更有效且持久的方法。 * 添加表面活性剂：如Span 80、Tween 80、油酸等，通过吸附在颗粒表面产生空间位阻或静电斥力，防止颗粒聚集。这是一种相对简单的方法，但表面活性剂分子在摩擦过程的高剪切和高温下可能脱落或分解，导致性能不稳定。 * 表面改性：通过化学反应将特定的功能基团（如油酸、十八烷基硫醇）接枝到MoS₂纳米颗粒表面。例如，油酸分子通过C-S键化学接枝到MoS₂纳米片上，或十八烷基硫醇通过Mo-S配位键接枝到MoS₂的硫空位上。改性后的纳米片不仅分散性大幅提升，其层间距、层间吸附能和剪切应力也发生变化，有助于提高润滑性能。 * 制备复合材料：将MoS₂与其他材料（如石墨烯、六方氮化硼、石墨相氮化碳、硅酸镁等）复合，是当前研究热点。复合材料不仅能利用各组分的协同效应提升润滑性能，其独特的结构（如MoS₂纳米片在石墨烯骨架上弯曲生长）也能最小化纳米片之间的相互作用，实现其在基础油中的自分散，获得长期稳定的分散液。论文指出，尽管物理方法简单经济，但纳米颗粒在摩擦条件下容易重新团聚；表面活性剂改性可能影响材料本征性能；而与其它二维纳米材料复合，既能获得良好的稳定性，又能根据需要弥补各自缺陷，是一种非常有前景的方法。
4. MoS₂纳米材料及其复合材料的摩擦学性能与润滑机理 论文的核心部分总结了MoS₂纳米材料作为添加剂展现出的优异摩擦学性能，并深入探讨了其背后的润滑机理。 * 摩擦学性能： * 纯MoS₂纳米材料：其摩擦学性能与尺寸和形貌密切相关。研究表明，纳米尺度的MoS₂（如纳米球、纳米片）的润滑效果优于微米级颗粒。不同形貌如纳米花、纳米球、空心核壳结构等均被证明能显著降低基础油的摩擦系数和磨损量。例如，层状闭合结构的富勒烯状MoS₂纳米球表现出类似“分子轴承”的滚动效应，能将摩擦系数降低约47%。 * MoS₂复合材料：与单一材料相比，复合材料能实现“1+1>2”的协同增强效应。论文重点回顾了MoS₂与碳基材料（石墨烯、碳纳米管、富勒烯、稻壳炭）、六方氮化硼、石墨相氮化碳、硅酸镁等复合的研究。这些复合材料不仅能改善分散性，更能在摩擦过程中形成更坚固、更有效的摩擦保护膜，大幅提升抗磨减摩性能和极压承载能力。例如，H-BN-MoS₂-CTAB异质结构仅以30 ppm的极低添加量，就使发动机油的摩擦和磨损分别降低了44%和96%。 * 润滑机理：论文总结了目前广为接受的几种主要机理，并指出在实际摩擦过程中，往往是多种机制共同作用。 * 滚动轴承机制：球形或类球形的纳米颗粒（如MoS₂纳米球、碳球@MoS₂）在摩擦界面之间滚动，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而降低摩擦阻力。 * 层间剪切滑移机制：源于MoS₂自身的层状晶体结构。层内强的共价键和层间弱的范德华力构成了天然的低剪切面。在剪切力作用下，MoS₂层间极易发生滑移，从而降低摩擦系数。片状纳米材料主要通过此机制发挥作用。 * 摩擦反应膜形成机制：这是目前最主流的解释。在摩擦过程中，纳米颗粒在局部高温高压和应力作用下，会迁移、吸附、沉积在摩擦表面，并通过摩擦化学反应形成一层坚固的、富含MoS₂或其它有益成分的保护膜（摩擦反应膜）。这层膜隔离了金属表面的直接接触，是抗磨减摩的关键。论文特别引用了一项研究，指出摩擦膜的形成源于颗粒的聚集而非分散良好的单个颗粒，这对添加剂设计具有重要启示。 * 协同润滑机制：在复合材料中，不同组分发挥各自优势，协同作用。例如，MSH-MoS₂复合材料在摩擦中形成双层摩擦膜：上层富含MoS₂，起减摩作用；下层由MSH与基体的反应产物构成，为上层提供稳定支撑。 * 其他机制：还包括“自修复”填充机制（纳米颗粒填充表面微裂纹）、抛光效应等。
5. 面临的挑战与未来展望 论文在最后部分客观地指出了MoS₂纳米润滑添加剂在走向实际应用过程中仍需面对的挑战，并展望了未来研究方向。 * 挑战： 1. 分散稳定性：尽管有诸多改进方法，但如何实现纳米添加剂在复杂工况和长期储存下的超稳定分散，仍然是首要难题。 2. 作用机理的复杂性：多种润滑机制并存且相互关联，使得精确理解和预测添加剂性能变得困难。 3. 规模化生产与成本：高质量、形貌可控的MoS₂纳米材料及其复合材料的低成本、规模化制备工艺尚待突破。 4. 环境与兼容性：纳米添加剂的长周期环境安全性、与现有润滑油配方中其他添加剂的兼容性需要系统评估。 * 未来展望： 1. 开发智能/响应性添加剂：研究能在摩擦过程中根据温度、压力、剪切力等外部刺激改变自身状态或释放润滑物质的新型智能添加剂。 2. 深入机理研究：借助原位表征技术（如原位拉曼、原位透射电镜）和分子动力学模拟，在原子/分子尺度实时揭示摩擦界面发生的物理化学过程。 3. 设计新型复合材料：继续探索MoS₂与其他功能性纳米材料（如MXenes、纳米金刚石等）的复合，开发具有多重优异性能的下一代润滑添加剂。 4. 关注可持续性：开发基于生物质或可回收材料的环保型纳米润滑添加剂，并系统研究其全生命周期环境影响。
论文的意义与价值
本综述论文具有重要的学术价值和指导意义。它系统性地梳理了MoS₂纳米材料作为润滑油添加剂这一活跃研究领域在过去多年的进展，从材料合成、分散稳定化策略、摩擦学性能到润滑机理，构建了一个清晰的知识框架。论文不仅总结了已取得的共识和成果，更重要的是明确了当前存在的关键科学问题和技术瓶颈，为后续研究者指明了方向。通过强调复合材料设计和协同润滑机制，论文为推动高性能、长寿命、环境友好的新一代纳米润滑添加剂的开发提供了宝贵的思路和借鉴。对于从事摩擦学、材料科学、润滑油研发等领域的研究人员和工程师而言，这是一份全面而深入的参考资源。