需要更有效的潤滑以實現新發動機的苛刻工作條件。所有發動機的耐用性，排放和燃油經濟性都與潤滑效率緊密相關。潤滑不足或效率低下會導致較大的摩擦和磨損損失，這可能會對發動機的燃油消耗和使用壽命產生負面影響。此外，高燃料消耗會導致更多污染，因此，至關重要的是要開發出排放更低，燃油經濟性更高的新型發動機。

所有這些都可以通過使用固體潤滑劑來獲得。在液體潤滑劑不能勝任或不可能的情況下，例如在太空，真空或汽車中，固體潤滑劑在提高耐磨性方面占據著特殊的位置。

在過去的幾年中，金屬基質納米復合材料作為固體潤滑劑已受到許多研究人員的關注。

油脂是半固體潤滑劑；當潤滑劑必須留在一個地方或粘在一個零件上時，它們可代替油使用。油脂不會像油一樣容易泄漏。油脂用于潤滑，以防止摩擦和磨損，防止腐蝕，提供對灰塵和水的密封，提供不會泄漏或滴落在其所應用表面上的潤滑以及長時間潤滑沒有崩潰。

在納米技術的大領域中，基于金屬基質的納米復合材料已成為研究和開發的重要領域。由于其潤滑性，含有過渡金屬碳化物，氮化物，硼化物和氧化物的納米復合材料吸引了全世界的研究人員。

具有卓越的機械和摩擦學性能的輕質自潤滑金屬基復合材料吸引了汽車和航空航天工業的多種應用。

納米復合材料的興趣

根據定義，復合材料是由兩種或多種具有顯著不同的物理或化學性質的組成材料制成的，它們在完成的結構內在宏觀，微觀和納米尺度上保持分離和不同[1]。

（c）復合材料科學與工程25，4; 10.1515 / secm-2016-0278

構成材料之一，稱為增強相，是纖維，薄片或顆粒的形式。它被嵌入另一種稱為基質相的材料中。但是，由于現有的復雜的材料架構，這是如今已變得更廣泛的傳統定義。

增強材料和基質材料可以是金屬的，陶瓷的或聚合物的。由于發生協同效應，復合材料的整體性能在許多情況下優于單個組件的性能[2]。

通常，增強物的尺寸影響機械性能，例如強度，延展性和自潤滑金屬基復合材料（MMC）的斷裂。通過增加鋼筋尺寸，抗張強度和延展性同時降低。由較大顆粒增強的MMC容易形成缺陷，例如在機械測試過程中破裂，這會導致復合材料過早失效。

因此，預期當增強尺寸在納米范圍內時具有優異的性能。如果將納米顆粒（NP）嵌入金屬基質中，則所得材料通常被稱為“納米復合材料”。

通常，就機械性能而言，期望具有在納米范圍內的基體晶粒尺寸，以實現增強的硬度，屈服強度以及諸如耐磨性和摩擦系數的摩擦學性能。使用納米級顆粒作為增強材料還可以增強復合材料的楊氏模量和拉伸強度，并改善摩擦學性能。

自潤滑納米復合材料的摩擦學

摩擦學是“相對運動中相互作用表面的科學與工程” [3]。它來自希臘語“ tribos”（摩擦），包含潤滑，磨損和摩擦的原理[4]。在外力作用下，兩種材料相互接觸，兩個表面的粗糙表面緊密接觸并在移動過程中發生表面劣化，這就是所謂的磨損。

通常，為了避免摩擦，從而避免磨損下的材料變質，可使用液體或固體潤滑劑。然而，在諸如高真空環境，高速條件，高施加負載以及非常低或高溫的情況下，液體和油脂型潤滑劑是不希望的。

在這樣的摩擦學系統中，液體和油脂型潤滑劑被固體潤滑劑涂層所代替，該固體潤滑劑涂層用于降低摩擦系數（COF）和磨損率。

固體潤滑劑是包含添加劑的化合物組合，這些添加劑旨在通過分離接觸表面來減少摩擦。由于NPs的納米級尺寸，人們對NPs的使用表現出了濃厚的興趣，這使它們能夠滲透各種幾何形狀的接觸，填充接觸粗糙之間的間隙，并形成在高壓下持久存在的保護性邊界膜（圖1）[ 6,7]。

圖1.（a）兩個表面之間的實際接觸（紅色）（藍色），（b）NP可以滲入瑕疵并增加接觸面積，從而降低雜質內部的局部接觸壓力。

納米顆粒已高度用作油分散體，固體潤滑劑或涂料夾雜物。使用NP作為潤滑劑添加劑有一些好處。由于它們的尺寸小，它們可以覆蓋接觸粗糙物之間的間隙[8]。

由于其較大的表面積，它們還具有較高的強度和硬度[9]。但是，此較大的表面積導致較大的表面能，這使它們在熱力學上不穩定，并且它們的分散體趨于聚集。為了避免這種情況，需要使用表面活性劑對納米顆粒進行功能化[10]。

NP可以以兩種形式存在：

• 2H –每個六邊形晶胞2層（圖2）

• IF –無機富勒烯狀（圖3）。

在2H-形式中，層是平坦的，并具有“懸空鍵” 11（邊緣效應可能會由于拋光或氧化而使NP變質）。但是，在IF結構中，各層被四舍五入，形成“洋蔥狀”的籠子，這使它們對化學物質更具惰性[6,12,13]。

已經公開了在相對較低的PV（負載x速度）下，IF擊敗2H NP，盡管在高PV條件下，2H更好[14]。

圖2.左側，通過低層間剪切力潤滑2H-MS2 NP。右邊是2H-MoS2 TEM圖像。

圖3.左側為IF層示意圖。右邊是IF-WS2 NP的HRTEM圖片，展示了它們的洋蔥狀結構。

IF-和2H- MS2的潤滑機理

MS 2血小板的基面由完全鍵合且無反應性的硫原子組成（圖4）。因此，晶體對下表面的反應性低，導致水蒸氣的吸收低。此外，末端S原子的表面能相當低，使得它們相對于金屬表面容易剪切。

相鄰層之間較弱的范德華SS相互作用使層之間可以簡單地相互剪切，這有助于形成有效的潤滑機制（圖2）。

但是，2H-MS 2晶體具有極強的各向異性和反應性。雖然基面的S原子完全鍵合，因此不具有反應性，但其他平面上的M和S原子卻不完全鍵合，因此具有很高的反應性（圖2）。

因此，簡單的剪切受到干擾，從而導致有效的潤滑。然后，在兩個配合表面之間的摩擦過程中，血小板很快被拋光和氧化。這說明了由于2H-MS 2 NP迅速變質而導致的潤滑劑使用壽命短。

圖4. 2H-MoS2 NP的基礎，M和S平面示意圖。藍色原子代表金屬，綠色原子代表硫。

IF-MS 2 NP的摩擦機制的特征在于其外層剝落，從而在接觸表面之間輸送單層（見圖5）并降低了摩擦系數[19]。

Schwarz等。研究了壓力和粘附力對富勒烯摩擦學的影響[20]。NP由于范德華力而附著在表面上，范德華力與顆粒的半徑成比例，并且與構成IF-NP的層數無關。

富勒烯會由于施加到NP的壓力而脫落，從而破壞系統的穩定性。在粘附條件下，僅發生第一片（1片或2片第一片）的剝落。之后，紙張會粘附在表面上，形成薄膜，從而將邊緣效應降至最低[21]。

圖5. IF-MS2 NP的摩擦機理示意圖。注意，各個層恰好在接觸表面之間傳遞[22]。

由于它們的納米尺寸，富勒烯可以輕松地滲透到接觸表面的孔中，而2H-MS 2 NP則要大得多，并且不能穿過孔。這些孔充當IF-MS 2 NP的儲層，并經常在摩擦過程中提供接觸面積。一些研究已經證實，由于摩擦后拍攝的SEM圖像，NPs可以滲入雜質[14、18]，并在摩擦過程中在接觸區被釋放和活化。

NP增強的MMC的合成

可以使用不同的技術將NP整合到摩擦表面中。它們可以簡單地分散在油中以減少表面之間的摩擦[23]。但是，在某些不適合使用油的空間應用中，會使用灑水，摩擦或打磨的方法[18]。許多固體潤滑劑在氣霧劑中混合并直接噴到表面[24]。

其他則在金屬基質的幫助下進行電沉積[25]。而且，粉狀固體潤滑劑可以與合適的環氧樹脂和粘合劑高度結合，從而延長表面的使用壽命[26]。

然而，在現有技術中，選擇薄膜固體潤滑劑代替粘結形式或粉末。薄膜可在表面上通過先進的真空工藝等被沉積磁控濺射[27,28]離子鍍，離子束輔助沉積（IBAD）[29]或等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）[30]，以獲得粘結力強，厚度均勻，耐磨壽命長，組織致密。

結論

這篇綜述對IF-NP和2H-NP的固體潤滑進行了重點概述，從它們的結構基礎開始，然后分析了它們用作固體潤滑劑和相應的摩擦學性能。

IF和2H- NP具有卓越的性能，包括大的長徑比，出色的高楊氏模量和強度。

這些獨特的性能吸引了研究人員將其用作金屬材料基復合材料的增強材料，以增強復合材料的性能，并使它們堅固，輕巧并具有自潤滑性。