关于二硫化钼纳米颗粒作为润滑添加剂的研究进展综述报告

本文旨在向广大科研工作者介绍一篇题为“mos2 nanoadditives for lubrication: morphology, surface chemistry, and mechanisms”的综述性论文。该论文由Zhengquan Jiang（通讯作者，华北水利水电大学特种摩擦与润滑材料研究所）、Yongxing Hao（通讯作者，华北水利水电大学特种摩擦与润滑材料研究所）等多位学者合作撰写，于2025年8月30日在线发表于国际知名期刊Tribology International（卷214，文章编号111151）。

论文主题与研究背景

本文是一篇全面、系统的综述文章，核心主题围绕二硫化钼（MoS2）纳米材料作为高性能润滑添加剂这一前沿领域展开。文章聚焦于MoS2纳米添加剂的形貌调控、表面化学、纳米复合材料功能化及其润滑机理，旨在总结最新研究进展，梳理知识体系，并展望未来发展方向。

推动该领域研究的背景在于全球工业化和技术快速发展对机械系统润滑性能提出了日益严苛的要求，特别是在节能和环境可持续性方面。传统的有机润滑添加剂（如二烷基二硫代磷酸锌，ZDDP）存在热稳定性不足（通常低于150°C）以及因环保法规而对磷、硫化合物限制使用的问题。相比之下，以MoS2为代表的无机纳米颗粒展现出优异的热稳定性、机械稳定性、化学稳定性以及自修复能力，能够在极端条件下形成低剪切强度的润滑膜，被视为开发下一代高性能、宽温域润滑体系的关键候选材料。因此，深入理解MoS2纳米添加剂的构效关系、优化其性能并揭示其作用机制，已成为全球摩擦学研究的核心议题之一。

论文主要观点与论据阐述

观点一：MoS2纳米颗粒的形貌对其作为润滑添加剂的性能具有决定性影响。 文章系统地将MoS2纳米结构按维度分为四大类，并详细分析了各自的结构特点、合成方法及与润滑性能的关联。 * 零维（0D）量子点（QDs）：尺寸极小（通常 nm），能渗透进入摩擦副的微观缺陷和狭窄接触区，快速形成动态保护膜。研究证据表明，在石蜡油中添加0.3 wt%的MoS2 QDs，可将摩擦系数（COF）从纯油的0.169显著降低至0.061。然而，其高表面能易导致在油中团聚，长期分散稳定性差，需要表面功能化来维持性能。 * 一维（1D）纳米结构：包括纳米线、纳米带和纳米管。其高长径比和结构各向异性赋予其独特的性能。例如，MoS2纳米管具有中空圆柱结构，在摩擦过程中能发生滚动或变形，起到“微型轴承”的作用。实验数据显示，在基础油中添加0.08 wt%的MoS2纳米管，可在25°C下使平均摩擦系数降低39.2%，磨斑直径（WSD）减小35.0%。但一维结构难以形成连续、完整的表面覆盖膜。 * 二维（2D）纳米片：这是目前研究最深入、性能最优异的形貌。其层状结构（S-Mo-S）层间通过弱的范德华力结合，易于在剪切作用下发生层间滑移，从而形成连续、低剪切强度的润滑膜。论文引用研究结果指出，在发动机油中添加超薄MoS2纳米片，即使在100°C高温下也能显著提升抗摩擦和抗磨损性能。其大的比表面积和平面几何结构也有利于在油中稳定分散。不过，在非极性油中仍面临重新堆叠和聚集的挑战。 * 三维（3D）分级结构：如纳米花、微球等，由二维纳米片自组装而成，具有丰富的孔隙结构和高的比表面积。这种结构能有效储油，增强负载能力，并表现出优异的热稳定性。有研究表明，在环烷基油中添加1 wt%的MoS2纳米花，摩擦1小时后摩擦系数降低了86%。但3D结构的分散性受基础油化学性质影响显著，在非极性油（如聚α-烯烃）中性能可能下降。

观点二：表面化学修饰是提升MoS2纳米颗粒在润滑油中分散稳定性与摩擦学性能的关键策略。 未经修饰的MoS2纳米颗粒由于表面能高、与基础油相容性差，极易团聚沉降。文章综述了三大类表面改性方法及其成效。 * 有机酸改性：常用的有油酸（OA）、硬脂酸（SA）、巯基丙酸（MPA）等。这些酸的羧基（-COOH）能与MoS2表面的硫原子或钼原子形成化学键（如C-S键），在颗粒表面引入疏水长链，显著改善其在基础油中的相容性。例如，通过“点击化学”反应将油酸共价接枝到MoS2纳米片上制得的OA-MoS2，在500SN基础油中添加0.04 wt%，可使平均COF和WSD分别降低41.2%和17.1%。分子动力学模拟进一步揭示了改性后颗粒在摩擦界面形成稳定膜并降低剪切应力的机理。 * 有机胺改性：如油胺（OLA）、三乙醇胺硬脂酸酯（TEAS）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）等。胺类分子可通过配位作用或静电吸附与MoS2表面结合。例如，将OLA共价接枝到氧化的MoS2（MoS2-O）上得到的MoS2-O-OLA，在15#工业白油中以0.02 wt%添加时，COF和WSD分别降低了36.2%和22.4%。胺改性不仅能提高分散性，其长链结构还能增加MoS2层间距，进一步降低层间剪切强度。 * 其他有机分子改性：包括尿素、氰基萃取剂302（Cyanex 302）、葡聚糖（Dextran）、油酸二乙醇酰胺硼酸酯（ODAB）等。这些分子通过物理吸附或化学作用修饰MoS2表面，赋予其特定功能。例如，尿素修饰的MoS2（U-MoS2）通过吸附在层间扩大层间距，削弱范德华力，从而将COF和磨损率分别降低了22%和85%。Cyanex 302修饰的MoS2微球则因其球形形貌和活性元素（S, O, P）能在界面形成坚固的保护膜，表现出优异的摩擦学性能。

观点三：构建MoS2基纳米复合材料是实现性能协同增强与多功能化的有效途径。 单一MoS2纳米颗粒在某些极端条件下（如超高负载、高温氧化）性能有限。通过与金属、金属氧化物、碳材料等复合，可以克服这些局限。 * MoS2/金属或金属氧化物复合材料：金属（如Ag）或氧化物（如Bi2O3， Fe3O4， ZnO， AlOOH）的引入可以提高复合材料的机械强度、负载能力和热稳定性。例如，Ag-MoS2复合材料中，Ag作为软金属相可以变形以减小接触应力，而MoS2提供润滑，两者协同降低了磨损。Bi2O3与MoS2的复合材料在450-800°C高温下表现出稳定的低摩擦（COF 0.21-0.26），其机理在于高温下生成了具有低剪切强度的三元氧化物（如Bi2MoO6）润滑釉层。Fe3O4@MoS2核壳结构在外部磁场作用下，可以主动调控颗粒在摩擦界面的沉积，进一步增强润滑和抗磨效果。 * MoS2/碳及其衍生物复合材料：碳材料（如石墨烯、还原氧化石墨烯-rGO、碳球、C60）具有优异的机械性能和化学稳定性，与MoS2复合可以优势互补。石墨烯或rGO可以作为支撑骨架，防止MoS2纳米片重新堆叠，同时两者之间的协同效应能显著降低摩擦和磨损。例如，MoS2量子点/石墨烯褶皱球（MGCBs）复合材料在聚烯烃二醇基础油中无需表面改性剂即可自分散，在150°C高温下比传统磷酸酯润滑剂降低摩擦47%，磨损30%。将MoS2包裹在碳球（C@MoS2）或生长在C60表面形成的复合材料，也均表现出优于单一组分的摩擦学性能。

观点四：MoS2纳米添加剂的润滑机理是一个涉及物理沉积、摩擦化学反应和薄膜形成的复杂过程。 文章强调，其核心机理在于MoS2的层状结构在剪切力作用下易于滑移，从而在摩擦副表面形成一层低剪切强度的转移膜或 tribofilm（摩擦化学膜）。这层膜隔离了金属表面的直接接触，有效降低了摩擦和磨损。此外，纳米颗粒还能通过“微滚珠”效应（特别是纳米管和球形颗粒）、填充表面微坑起到修复作用。在摩擦过程中，往往伴随着复杂的摩擦化学反应，生成MoO3、FeS、FeS2、FeO、Fe2O3、Fe3O4等多种化合物，这些产物共同构成了具有保护作用的表面膜。表面修饰剂和复合组分通过改善分散、增强界面结合、提供额外活性元素等方式，优化并稳固了这层保护膜的形成与性能。

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。首先，它系统性地梳理和总结了近年来MoS2纳米润滑添加剂领域在形貌控制-表面改性-复合材料设计-作用机理这一完整链条上的最新研究成果，为研究人员提供了一个清晰的知识图谱和研究框架。其次，论文不仅总结了成就，更明确指出了当前面临的挑战，如极端条件下的长期稳定性、摩擦界面纳米颗粒动态行为的原位表征、规模化制备的经济可行性等，为未来研究指明了方向。第三，论文前瞻性地提出了整合多尺度模拟、原位表征技术和智能纳米添加剂设计等策略，以推动下一代高性能MoS2基润滑剂的发展，这具有重要的方法论启示。最后，该综述对于促进摩擦学、材料科学、化学等学科的交叉融合，加速高性能环保润滑材料的研发与应用，服务于高端装备制造、航空航天、新能源汽车等国家重大需求领域，具有显著的实际应用价值。