综述：纳米润滑剂的挑战与进展：稳定性、作用机制及工业应用

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Challenges and advances in nanolubricants: Stability, performance mechanisms, and industrial applications

纳米润滑剂在提升工业系统能效和耐久性方面潜力巨大，但面临稳定性不足、测试方法不统一及实际应用数据缺乏等挑战。本研究系统梳理纳米润滑剂的技术瓶颈，指出长期稳定性问题最突出但被忽视，仅60%研究涉及，且真实工况测试不足。提出需标准化测试协议（含加速老化）、统一性能评价指标及优化化学物理复合稳定化策略，以推动实验室成果向工业应用转化。

　　纳米润滑剂（NLs）在提升汽车、航空航天、风能和制冷等行业的系统能效与耐久性方面展现出巨大的潜力。然而，其在工业应用中的成功实施仍然面临诸多挑战，包括实验协议的不一致、短期稳定性不足以及缺乏真实操作环境下的数据支持。本研究对当前NL研究的现状进行了系统性回顾，探讨了稳定性技术（包括物理和化学方法）、稳定性评估手段、润滑机制、纳米粒子选择以及环境和健康风险等关键议题。研究表明，长期稳定性仍然是最具挑战性且最被忽视的问题；仅有约60%的研究关注这一点，而真正考察实际运行条件下的性能的研究更是寥寥无几。通过分析发现，结合化学与物理稳定技术的混合方法显著优于单一方法。此外，研究还揭示了稳定性评估协议中的主要不一致性和对动态润滑机制理解的不足，这些因素严重阻碍了不同研究之间的有效对比。基于上述分析，从实验室创新过渡到工业应用需要三个关键的发展方向：包含加速老化测试的标准测试协议、统一的报告指标以及优化的混合稳定策略。本综述提供了一个清晰的框架，以克服这些障碍，为下一代纳米润滑剂的可靠与可扩展应用铺平道路。

在技术迅速发展的背景下，对高性能润滑解决方案的需求日益增长，特别是在摩擦和磨损是主要问题的行业中，如汽车、航空航天、制造业和能源系统。关键挑战在于开发出能够承受极端压力、温度和机械应力的润滑剂，同时减少能量损失和组件的磨损。尽管传统润滑剂在许多应用场景中表现良好，但在恶劣的工作条件下往往难以满足需求。例如，传统润滑剂可能在高温下降解，或在剪切力作用下失去粘度，或在重载应用中无法提供足够的抗磨损保护。此外，随着对可持续性和减少环境影响的关注增加，润滑剂不仅需要在性能上有所提升，还必须符合环保标准。

纳米润滑剂的概念代表了润滑技术的重大进步，它建立在纳米科技的基础之上。研究人员已经探索了将纳米尺寸的粒子，包括金属（如铜、银、金）、金属氧化物（如氧化锌、二氧化钛、氧化铝）以及碳基材料（如多壁碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯）加入传统润滑剂中的可能性。这些纳米粒子因其高比表面积、卓越的机械强度以及可调节的表面化学性质，能够与基础油协同作用，显著提升摩擦学性能。研究表明，纳米润滑剂可以将摩擦系数降低高达50%，通过形成自适应保护层提高承载能力，并通过提高热导率15-40%，改善机械系统的散热性能，从而减少磨损。此外，纳米粒子能够在接触表面上形成耐用且具有自修复能力的摩擦膜，防止金属直接接触，即使在极端压力和温度下也能有效延长关键部件如轴承、齿轮和活塞环的使用寿命。某些纳米粒子，如二硫化钼（MoS?）和六方氮化硼（h-BN），因其层状结构能够提供低剪切阻力，而其他如金刚石纳米粒子则因其极高的硬度，能够提供优越的抗磨损性能。鉴于这些优势，纳米润滑剂正被越来越多地应用于高性能发动机、工业机械、制冷系统，甚至微机电系统（MEMS）等领域。近年来的研究还强调了其在可再生能源系统中的潜力，如风力涡轮机和电动汽车驱动系统，这些系统对效率和耐久性提出了更高的要求。此外，纳米流体的原理不仅限于润滑，还延伸至先进的能量收集技术。例如，在光热（PV-T）系统中，结合反射器和纳米流体过滤器的配置凸显了热管理和光学效率的重要性。在这些系统中，纳米流体不仅作为冷却剂，还作为光谱分割器，选择性地吸收或传输太阳辐射，从而优化太阳能光谱的利用。例如，在聚光光伏-热（CPV-T）系统中，基于纳米流体的过滤器可以减少光伏电池的热降解，同时提升整体系统效率。此外，涡流发生器和散热器的结合进一步增强了散热效果，缓解了热点问题，延长了太阳能模块的使用寿命。这些创新凸显了纳米流体及相关纳米材料在提升能源系统效率和可持续性方面的巨大潜力。

根据Scopus数据库的统计，过去十年中，关于纳米润滑剂的研究论文数量呈指数级增长。大量研究已经开展，旨在更深入地探讨纳米润滑剂的潜在优势，研究视角涵盖了材料科学、摩擦学、热能工程和工业应用等多个领域。这些研究的目标是全面理解纳米润滑剂的特性，并评估其在提升不同基础流体性能方面的适用性，从传统的矿物油到先进的合成和生物基润滑剂。然而，随着文献数量的增加，研究人员之间也出现了相当大的模糊性。首先，实验结果与理论预测之间存在显著差异，许多研究报告的不一致结果缺乏明确的解释。例如，对纳米润滑剂性能的全面回顾发现，不同研究中摩擦减少的效果范围从10%到60%，而抗磨损性能则存在数量级的差异，这引发了对研究结果可靠性的质疑。这些不一致的结果源于多种因素，包括实验条件（载荷、速度和温度）的变化、纳米粒子的特性（尺寸、形态和浓度）以及测试方法的差异。此外，过去十年中研究论文的迅速增长导致了信息量的激增，掩盖了清晰的趋势，使得从中提取有意义的结论变得困难，因为许多研究缺乏标准化的实验流程或未能报告关键参数。其次，纳米润滑剂在纳米粒子分散稳定性、长期耐久性和成本效益等方面仍然存在未解决的问题，这些问题必须得到解决，才能推动其在工业领域的广泛应用。例如，尽管实验室规模的研究常常显示出令人鼓舞的短期效果，但在实际应用中，纳米粒子容易发生团聚、沉降，并在长时间运行条件下发生降解。此外，大规模生产纳米润滑剂的经济可行性仍不确定，因为纳米粒子的合成、表面功能化和质量控制成本往往高于其在主流应用中的带来的效益。环境和安全问题，如潜在的毒性以及处理和回收的困难，也进一步增加了商业化进程的复杂性。

尽管存在这些挑战，纳米科技和材料科学的持续进步仍在强化纳米润滑剂作为下一代润滑解决方案的潜力。新兴方法，如混合纳米粒子的开发、智能自分散系统以及生物相容性配方，显示出解决当前限制的前景。然而，上述讨论也突显了NL研究中持续存在的争论和知识空白，许多现有综述主要集中在报告性能提升方面。本研究则通过系统和批判性的方法，旨在诊断那些阻碍工业应用的持续不一致的根本原因。本工作不仅汇总了研究结果，还深入分析了文献中出现分歧结果的潜在原因。其独特贡献包括对稳定性挑战的深入剖析，提供了一个统一的框架来解释沉降行为；对当前稳定方法的普及程度和不足进行了定量分析；并系统评估了表征技术，揭示了方法论上的局限性和偏差。此外，本综述还详细探讨了在真实系统中可能出现的特定应用失效模式，如齿轮箱、发动机、液压系统和制冷装置，将实验室规模的结果与实际运行中的障碍联系起来，这些障碍在以往的研究中往往被忽视。最后，本研究提出了前瞻性的、可操作的解决方案和标准化的制备、表征和长期测试协议，旨在弥合学术研究与工业实施之间的鸿沟。通过解决这些关键问题，本工作旨在为纳米润滑剂提供一个更加统一和实用的理解框架，推动该领域从经验性观察向预测性和可靠性的科学方向发展。