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                六方氮化硼為啥這么好“滑”?

                2021-07-12 03:06:19

                100多年前,有一種除了結構以外,就連性能都與石墨非常相近的材料問世,那就是六方氮化硼(h-BN)。它是由56.4%的氮原子核43.6%的硼原子所構成的晶體,由于自身潔白,因此也被叫作“白石墨”,其結構如下圖所示。


                h-BN具有很多優異的性能,其中最為顯著也最令人稱道的就是它很“滑”。從上圖可以看出,h-BN的晶格結構和石墨十分相似,硼原子和氮原子交錯排列,組成一張六邊形為單位的無限邊界網絡,即單層h-BN;當很多層這樣的網絡沿著c軸方向以ABAB……的方式無限堆疊后便形成三維的六方氮化硼。

                立方氮化硼

                在每一個原子層內,硼原子和氮原子之間都由強力的sp2雜化共價鍵相連接,鍵長為a=b=0.2504nm;每相鄰的兩層原子層之間能夠依靠較弱的原子間作用力——范德華(vanderWaals)力相連接,鍵長c=0.6661lnm。所以,h-BN在c軸方向上結合力很小,原子間的距離又大,層與層之間很容易滑動,即使在高溫下也有著很好的潤滑性。


                一般來說,潤滑油添加劑都是通過改變吸附在運動體表面的潤滑油油膜形式,防止摩擦副表面在相互運動時發生粗糙表面微凸體的接觸,從而提高表面的潤滑性和抗磨性。目前,利用納米潤滑材料制備潤滑添加劑,是提高潤滑油減摩抗磨性能的主要手段。


                這些納米材料在潤滑油中主要發揮兩個作用,一是“微型球軸承效應”;二是“自修復效應”。它們會在摩擦副運動工作時進入摩擦副表面,改變摩擦副之間的摩擦方式——從純滑動摩擦轉變為滑動與滾動復合摩擦,由于滾動摩擦的摩擦系數要比滑動摩擦小一個數量級,因此摩擦磨損得以下降。


                與報道較多的金屬納米粒子(如銅、鐵)相比,h-BN在潤滑劑中其實更具應用優勢。這是因為軟性的納米添加劑雖然性能優異,但其在潤滑油使用過程中消耗快,對摩擦副之間的阻隔作用會逐漸下降,從而降低了潤滑油的使用壽命;另一方面,這些金屬納米粒子多為多面體形狀,表面原子呈階梯狀分布,活性很高,對潤滑油的改善作用主要通過對摩擦副表面的自修復效應來完成,其“微型球軸承”效應并不明顯。


                層狀結構的h-BN作為一種優良固態潤滑劑,相對于液態或半固態潤滑劑具有承載能力高、高溫下穩定性好、穩定的物理性質等優點。它可以分散在耐熱潤滑油脂、水或溶劑中,噴涂在摩擦表面上,待溶劑揮發而形成干膜;也可填充在樹脂、陶瓷、金屬等表層作為耐熱高溫自潤滑材料。


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