负载有煤制油烟尘纳米材料的类花NiAl-LDH，作为锂基润滑油的添加剂以提升润滑性能

《Journal of the Indian Chemical Society》：Flower-like NiAl-LDH loaded with coal-to-oil soot nanomaterials as additives for lithium-based grease to improve lubrication properties

煤制油烟灰负载镍铝层状双金属氢氧化物纳米复合材料制备及其作为锂基润滑脂添加剂的摩擦学性能研究。采用水热法制备NiAl-LDH和CS/NiAl-LDH复合材料，通过SEM、HRTEM、XPS等分析其形貌与成分，结合分子动力学模拟揭示协同润滑机制。当添加剂质量分数为0.2%时，摩擦系数降低38%，磨损 scar 直径减少52%，磨损深度和率分别降低68%和86%。研究证实复合材料的界面吸附性能和协同效应显著提升锂基润滑脂的摩擦学性能，为绿色纳米润滑剂开发提供新思路。

　　本研究聚焦于润滑材料领域，特别是通过纳米复合材料的引入来提升锂基润滑脂的摩擦性能。随着现代机械工程对高性能、环保型润滑材料的需求日益增长，传统的润滑方式在面对极端工况和复杂环境时表现出一定的局限性。因此，探索新型纳米润滑添加剂成为当前研究的重要方向之一。本研究中，采用自研的烟尘捕获装置收集了煤制油烟尘（Coal-to-oil soot, CS），并基于一步水热法合成镍铝氢氧化物纳米片（Nickel-aluminum layered bimetallic hydroxide nanoparticles, NiAl-LDH）及其负载煤制油烟尘的复合材料（CS/NiAl-LDH）。通过一系列实验手段，包括摩擦磨损测试、扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、能量色散光谱（EDS）、比表面积分析（BET）、拉曼光谱和分子动力学模拟等，对CS、NiAl-LDH以及CS/NiAl-LDH的物理化学性质、摩擦机制进行了系统研究。研究结果表明，CS是一种由非晶态碳和石墨微晶组成的聚集体，而NiAl-LDH则主要由高度结晶的花状纳米片构成。CS/NiAl-LDH复合材料则呈现出镍铝氢氧化物纳米片负载CS颗粒的结构特征。当添加剂量为0.2 wt%时，CS/NiAl-LDH复合材料在摩擦系数（AFC）、摩擦痕迹直径（AWSD）和磨损率等方面均表现出最优性能。与锂基润滑脂相比，此时AFC和AWSD分别降低了38%和52%，而最大磨损深度和磨损率则分别降低了68%和86%。这些数据表明，纳米复合材料在提升锂基润滑脂的摩擦性能方面具有显著优势，其作用机制包括改善CS的分散性、增强界面吸附性能以及CS与NiAl-LDH之间的协同润滑效应。

润滑材料作为机械系统中不可或缺的一部分，其性能直接影响到设备的运行效率和使用寿命。摩擦和磨损现象是机械产品能量损耗和材料消耗的主要来源，尤其是在高负载、高温和恶劣环境下，这些问题更为突出。润滑脂作为一种重要的润滑介质，因其良好的适应性和润滑性能，被广泛应用于低速、宽温范围以及长时间油更换的场景。在高端应用如航空航天、重型机械、冶金、机器人和精密机床等领域，润滑脂常被作为首选的润滑介质。然而，传统润滑脂在某些极端条件下仍存在不足，例如在高负荷或高温环境下，其润滑性能可能无法满足要求。因此，开发新型的润滑添加剂，尤其是纳米材料添加剂，成为提升润滑性能的关键手段。

当前，润滑脂添加剂主要分为有机添加剂和无机添加剂两大类。有机添加剂通常包括石墨、二硫化钼、氧化石墨烯等，而无机添加剂则以金属氢氧化物、氧化物和复合材料为主。研究表明，纳米材料由于其较大的比表面积、较高的扩散速率、较低的熔点和易于烧结的特性，在改善润滑性能方面具有独特优势。特别是，层状纳米材料在润滑脂中的应用，能够有效提升其摩擦性能。例如，将层状纳米材料作为添加剂引入润滑脂后，可以显著降低摩擦系数，提高承载能力，并增强抗磨损性能。这种性能提升可能源于不同纳米材料之间的协同效应，它们在微观层面改善润滑机制，从而在宏观层面显著提升整体的摩擦性能。

在这一背景下，本研究选择了煤制油烟尘（CS）和镍铝氢氧化物（NiAl-LDH）作为研究对象。CS主要由非晶态碳和少量石墨微晶组成，其摩擦性能来源于摩擦过程中球轴承效应。然而，当CS的浓度过高时，可能会破坏油膜，导致磨损加剧。相比之下，NiAl-LDH作为一种层状纳米材料，具有弱的层间连接和在中性条件下表现出的正电荷特性，这使其在润滑性能方面具有较大的潜力。此外，NiAl-LDH的制备原料易得，合成过程简单，反应条件温和，且其组成和粒径易于调控，这为其实用化提供了便利。近年来，研究表明，镍铝氢氧化物作为润滑添加剂可以有效提升基础油的润滑性能。然而，其抗摩擦性能仍存在一定的局限性，这可能是由于复合添加剂分子之间的协同效应尚未完全被理解。

为了进一步探究CS/NiAl-LDH复合材料的摩擦机制，本研究采用分子动力学模拟方法，对CS、NiAl-LDH和CS/NiAl-LDH在金属界面处的相互作用进行了分析。分子动力学模拟能够揭示润滑添加剂在微观层面的吸附行为和摩擦机制，从而为优化润滑性能提供理论依据。研究中，首先建立了CS和NiAl-LDH的分子模型，其中CS被简化为单层石墨。通过模拟不同条件下的相互作用，研究人员能够更直观地理解CS与NiAl-LDH之间的协同效应及其对摩擦性能的影响。模拟结果表明，CS/NiAl-LDH复合材料在金属界面处表现出良好的吸附性能和润滑效果，这有助于降低摩擦系数并减少磨损。

此外，本研究还对CS、NiAl-LDH和CS/NiAl-LDH的表面功能团和元素组成进行了分析。通过红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，研究人员发现NiAl-LDH和CS/NiAl-LDH的表面功能团与CS存在显著差异。这表明，CS/NiAl-LDH复合材料在表面化学性质上与CS和NiAl-LDH有所不同，从而在润滑性能方面表现出更优的特性。同时，元素组成分析也揭示了CS、NiAl-LDH和CS/NiAl-LDH在化学成分上的异同，为理解其摩擦机制提供了基础支持。

本研究的意义在于，不仅提供了新型纳米润滑添加剂的制备方法，还揭示了其在提升润滑性能方面的机制。通过实验和模拟相结合的方式，研究人员能够更全面地理解CS/NiAl-LDH复合材料的物理化学性质和摩擦行为。这为开发高效、环保的润滑材料提供了理论依据和技术支持。此外，本研究还强调了纳米材料在润滑领域中的应用前景，特别是在改善分散性、增强界面吸附性能和实现协同润滑方面的重要性。

总之，本研究通过系统分析和实验验证，展示了CS/NiAl-LDH复合材料在提升锂基润滑脂摩擦性能方面的显著优势。这不仅有助于推动润滑材料的创新发展，也为实现绿色、环保的润滑解决方案提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索不同纳米材料组合对润滑性能的影响，以及其在更广泛的应用场景中的表现。此外，还可以结合人工智能和计算机模拟技术，对润滑机制进行更深入的解析，以实现润滑材料的精准设计和优化。