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六方氮化硼为啥这么好“滑”?

2021-07-12 03:06:19

100多年前,有一种除了结构以外,就连性能都与石墨非常相近的材料问世,那就是六方氮化硼(h-BN)。它是由56.4%的氮原子核43.6%的硼原子所构成的晶体,由于自身洁白,因此也被叫作“白石墨”,其结构如下图所示。


h-BN具有很多优异的性能,其中最为显著也最令人称道的就是它很“滑”。从上图可以看出,h-BN的晶格结构和石墨十分相似,硼原子和氮原子交错排列,组成一张六边形为单位的无限边界网络,即单层h-BN;当很多层这样的网络沿着c轴方向以ABAB……的方式无限堆叠后便形成三维的六方氮化硼

立方氮化硼

在每一个原子层内,硼原子和氮原子之间都由强力的sp²杂化共价键相连接,键长为a=b=0.2504nm;每相邻的两层原子层之间能够依靠较弱的原子间作用力——范德华(vanderWaals)力相连接,键长c=0.6661lnm。所以,h-BN在c轴方向上结合力很小,原子间的距离又大,层与层之间很容易滑动,即使在高温下也有着很好的润滑性。


一般来说,润滑油添加剂都是通过改变吸附在运动体表面的润滑油油膜形式,防止摩擦副表面在相互运动时发生粗糙表面微凸体的接触,从而提高表面的润滑性和抗磨性。目前,利用纳米润滑材料制备润滑添加剂,是提高润滑油减摩抗磨性能的主要手段。


这些纳米材料在润滑油中主要发挥两个作用,一是“微型球轴承效应”;二是“自修复效应”。它们会在摩擦副运动工作时进入摩擦副表面,改变摩擦副之间的摩擦方式——从纯滑动摩擦转变为滑动与滚动复合摩擦,由于滚动摩擦的摩擦系数要比滑动摩擦小一个数量级,因此摩擦磨损得以下降。


与报道较多的金属纳米粒子(如铜、铁)相比,h-BN在润滑剂中其实更具应用优势。这是因为软性的纳米添加剂虽然性能优异,但其在润滑油使用过程中消耗快,对摩擦副之间的阻隔作用会逐渐下降,从而降低了润滑油的使用寿命;另一方面,这些金属纳米粒子多为多面体形状,表面原子呈阶梯状分布,活性很高,对润滑油的改善作用主要通过对摩擦副表面的自修复效应来完成,其“微型球轴承”效应并不明显。


层状结构的h-BN作为一种优良固态润滑剂,相对于液态或半固态润滑剂具有承载能力高、高温下稳定性好、稳定的物理性质等优点。它可以分散在耐热润滑油脂、水或溶剂中,喷涂在摩擦表面上,待溶剂挥发而形成干膜;也可填充在树脂、陶瓷、金属等表层作为耐热高温自润滑材料。


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