纳米结构形貌依赖性摩擦学性能：羟基硅酸镁片状与管状变体的对比研究及其润滑机制解析

这篇研究对比了片状（PMSH）和管状（TMSH）羟基硅酸镁（MSH）纳米材料作为润滑油添加剂的分散稳定性与摩擦学性能。通过实验发现，PMSH因表面富含羟基（-OH），更易被油酸（OA）修饰，分散稳定性更优，且在边界润滑条件下可将基础油（PAO10）磨损率降低95.3%，而TMSH反而加剧磨损。研究揭示了纳米颗粒形貌（如片层滑移与管状“滚动轴承”效应）、表面活性（如-OH密度）及结晶度对摩擦界面吸附力和摩擦膜（tribofilm）形成的关键影响，为开发高性能环保润滑剂提供了理论依据。

　　

Highlight

本研究系统比较了两种不同形貌的羟基硅酸镁（MSH）纳米结构——片状（PMSH）和管状（TMSH）作为润滑油添加剂的性能差异。通过分析形貌、晶体结构及表面化学特性，揭示了纳米颗粒结构如何影响其摩擦学行为。

Materials and preparation

采用水热法合成PMSH和TMSH纳米颗粒，使用相同原料（氧化镁、二氧化硅等）并通过球磨处理优化分散性。油酸（OA）修饰后的纳米颗粒在聚α烯烃（PAO10）基础油中形成稳定悬浮液。

Characterization of nanoparticles

透射电镜（TEM）显示，PMSH呈扁平片状（宽度~50 nm，厚度~10 nm），而TMSH为管状（直径~30 nm，长度100-300 nm）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实PMSH表面-OH密度更高，与OA通过氢键或静电作用（Mg²⁺与-C=O）结合更充分。

Discussion

经典润滑理论中，膜厚比λ决定润滑状态（边界/混合/流体润滑）。PMSH因低结晶度和强界面吸附力，在摩擦中快速分解形成保护性摩擦膜（tribofilm）；而TMSH的管状结构在边界条件下易引发磨粒磨损。双色干涉实验进一步表明，表面-OH密度是吸附和成膜的关键因素。

Conclusion

PMSH的优异性能归因于其高表面活性和快速摩擦膜形成能力，而TMSH的管状形貌在边界润滑中表现不佳。研究为设计高性能纳米润滑添加剂提供了形貌-性能关联的新见解。