本發(fā)明涉及一種納米潤(rùn)滑油脂，尤其是涉及一種自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂及其制備方法。

背景技術(shù)：

微/納機(jī)電系統(tǒng)(M/NEMS)是利用集成電路制造技術(shù)和微/納架構(gòu)技術(shù)把微/納結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行器、控制處理電路甚至接口、通信和電源等制造在一塊或多塊芯片上的微/納型集成系統(tǒng)，具有微型化、集成化、智能化、低成本、高性能、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在航天、航空、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事等領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景，是目前科技界公認(rèn)最具發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域之一。但經(jīng)過(guò)超精密制造的M/NEMS尺寸小，活動(dòng)部件間間隙在1μm以下甚至接觸。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受尺寸效應(yīng)的影響，表面黏著、摩擦及磨損是影響M/NEMS的性能、穩(wěn)定性和壽命的關(guān)鍵因素，并且宏觀的摩擦學(xué)定律及研究手段在這里已不適用。因此，尋找減小M/NEMS部件間摩擦磨損的方法是一個(gè)亟待解決并富有挑戰(zhàn)性的難題。

目前制造M/NEMS所用的材料大多數(shù)是硅及其化合物，還有少量的軟體金屬(鎳、金等)，M/NEMS尺寸小，活動(dòng)部件間間隙很小，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦磨損，表面容易黏著。在M/NEMS材料表面涂覆具有良好機(jī)械性能或化學(xué)活性/惰性的薄膜，如：類(lèi)金剛石DLC(Diamond-like Carbon)、碳膜、碳化硅及氮化硅等固體薄膜，可以有效地改善其物理和化學(xué)性質(zhì)，提高穩(wěn)定性和壽命。DLC具有極高的硬度、極低的摩擦系數(shù)以及極強(qiáng)的抗磨性能，并且DLC涂層有利于提高含氟潤(rùn)滑劑的穩(wěn)定性，因此，DLC膜已被大量地應(yīng)用于M/NEMS。但DLC膜在高載荷下會(huì)出現(xiàn)磨粒磨損產(chǎn)生的犁溝，耐磨性能明顯降低，而且在濕度較高的環(huán)境下，摩擦系數(shù)較大，波動(dòng)加劇。單或多分子層的超薄膜可以在不降低M/NEMS承載能力的情況下，顯著降低表面的摩擦系數(shù)，甚至出現(xiàn)超潤(rùn)滑狀態(tài)。最常見(jiàn)的超薄膜是LB(Langmuir-Blodgett)膜和自組裝膜SAM(Self-assembled monolayer)。LB膜技術(shù)在材料表面通過(guò)單分子膜組裝構(gòu)成分子有序體系，具有性能穩(wěn)定，摩擦系數(shù)低，厚度可控等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已用于解決磁記錄系統(tǒng)的潤(rùn)滑問(wèn)題，但LB膜制備方法復(fù)雜且與基底以范德華力結(jié)合(物理吸附)，膜的熱穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性較差。SAM膜具有更高的有序性和取向性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且堆積緊密，通過(guò)對(duì)SAM方便靈活的分子設(shè)計(jì)可獲得不同結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性能的表面，具有防腐蝕，減少摩擦，降低磨損等作用，能有效地減輕靜摩擦。但是，SAM膜的摩擦力受速度的影響較大，用于微馬達(dá)潤(rùn)滑時(shí)，效果不理想。表面沉積雙層膜也可以提高器件的耐磨性，但因毛細(xì)管效應(yīng)會(huì)引起靜摩擦，而使其不能廣泛適用于M/NEMS。

專(zhuān)利98123247.7在LIGA(光刻、電鍍和注模)技術(shù)的電鍍工藝前，采用由二硫化鉬或碳60組成的固體潤(rùn)滑劑來(lái)解決微電子機(jī)械的潤(rùn)滑和磨損問(wèn)題，但是固體潤(rùn)滑劑使用過(guò)程中存在大量灰塵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了提供一種穩(wěn)定的具有更高承載能力的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂及其制備方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂的制備方法，該方法包括以下步驟：

(1)將納米粒子加入3-三硅醇丙磺酸中，進(jìn)行納米粒子表面的磺化；

(2)在強(qiáng)烈攪拌下加入帶有機(jī)長(zhǎng)鏈的有機(jī)三取代胺中和，經(jīng)透析后進(jìn)行干燥處理，即得到所述的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的納米粒子包括二氧化硅、二氧化鈦、石墨、石墨烯或碳納米管。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述帶有機(jī)長(zhǎng)鏈的有機(jī)三取代胺包括二聚乙二醇十八胺、二聚乙二醇十二胺或二聚乙二醇辛胺等。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的有機(jī)三取代胺分子量為2500～3500，較長(zhǎng)的有機(jī)長(zhǎng)鏈拓寬了潤(rùn)滑油脂的使用溫度范圍。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的3-三硅醇丙磺酸與納米粒子的質(zhì)量比為1:9～15。該質(zhì)量比與選用的三取代胺的分子量較高相適應(yīng)。

一種自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂，采用所述的制備方法制得，該自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂是由納米粒子經(jīng)表面修飾形成的具有核-殼-冠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定體系，所述的納米粒子均勻分散在與其以化學(xué)鍵相連的有機(jī)介質(zhì)中。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，該自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂中納米粒子的含量為10～60wt％。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，其表觀粘度在50～700Pa·S之間，并且剪切頻率變化時(shí)，油脂表現(xiàn)出牛頓流體行為。

本發(fā)明所采用的納米顆粒包括納米二氧化硅、二氧化鈦、納米碳管、石墨、石墨烯等。這些硬度較高的納米粒子，增加了潤(rùn)滑油脂的承載能力。另外，因納米粒子以化學(xué)鍵的形式懸浮在表面帶有長(zhǎng)鏈的有機(jī)冠的體系中，改變了常規(guī)的納米流體納米粒子含量高時(shí)的非牛頓流體特性，即使納米粒子的含量很高，比如達(dá)54wt％，體系也表現(xiàn)出牛頓流體行為，適合于做潤(rùn)滑油脂。

在潤(rùn)滑過(guò)程中，牛頓流體具有更好的穩(wěn)定性，適合在潤(rùn)滑領(lǐng)域的應(yīng)用。兩表面相互摩擦?xí)r，納米潤(rùn)滑油脂在摩擦表面會(huì)形成吸附層，吸附層具有長(zhǎng)程排斥力，使摩擦表面分開(kāi)，納米核對(duì)其核外有機(jī)分子鏈起到錨錠的作用，使表面吸附層更穩(wěn)定，像分子刷一樣，有機(jī)長(zhǎng)鏈的動(dòng)態(tài)松弛特性使油脂具有自修復(fù)性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂油脂中，納米粒子均勻分散在與其以化學(xué)鍵(共價(jià)鍵和離子鍵)相連的有機(jī)介質(zhì)中，體系穩(wěn)定，無(wú)溶劑，環(huán)保。潤(rùn)滑油脂能顯著減小摩擦系數(shù)，納米粒子能提高潤(rùn)滑油的承載能力，摩擦過(guò)程中納米潤(rùn)滑油脂在摩擦表面會(huì)形成吸附層，吸附層具有長(zhǎng)程排斥力，使摩擦表面分開(kāi)，納米核對(duì)其核外有機(jī)分子鏈起到錨錠的作用，使表面吸附層更穩(wěn)定，像分子刷一樣，有機(jī)長(zhǎng)鏈的動(dòng)態(tài)松弛特性使油脂具有自修復(fù)性，該潤(rùn)滑油脂在微機(jī)電系統(tǒng)等潤(rùn)滑領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為以碳納米管為核的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂的性狀；

圖2為表面吸附層的相對(duì)滑動(dòng)示意圖(F∥：剪切力；F⊥：法向應(yīng)力；ν：相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率)

圖3為實(shí)施例2中自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂微觀摩擦曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，而不是限制本發(fā)明的范圍。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

實(shí)施例1

4g納米碳納米管加入到1.3g的含35wt％的3-三硅醇丙磺酸水溶液中，在60℃下反應(yīng)24小時(shí)后，再在強(qiáng)烈攪拌下加入分子量為2800的二聚乙二醇十八胺8g，并調(diào)節(jié)pH至7，經(jīng)透析后進(jìn)行干燥處理，即得以碳納米管為核的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂，所得潤(rùn)滑油脂中碳納米管的含量為15wt％，其性狀如圖1，表觀粘度為60Pa·S，具有高承載能力及自修復(fù)功能。

潤(rùn)滑油脂能顯著減小摩擦系數(shù)，納米粒子能提高潤(rùn)滑油的承載能力，摩擦過(guò)程中納米潤(rùn)滑油脂在摩擦表面會(huì)形成吸附層，吸附層具有長(zhǎng)程排斥力，使摩擦表面分開(kāi)，納米核對(duì)其核外有機(jī)分子鏈起到錨錠的作用，使表面吸附層更穩(wěn)定，像分子刷一樣，有機(jī)長(zhǎng)鏈的動(dòng)態(tài)松弛特性使油脂具有自修復(fù)性，如圖2所示。

實(shí)施例2

6g納米二氧化硅加入到1.4g 3-三硅醇丙磺酸35％的水溶液中，在60℃下反應(yīng)24小時(shí)后，再在強(qiáng)烈攪拌下加入分子量為3200的二聚乙二醇十二胺7g，并調(diào)節(jié)pH至7，經(jīng)透析后進(jìn)行干燥處理，即得以納米二氧化硅為核的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂。所得潤(rùn)滑油脂中納米二氧化硅的含量為12.5wt％，表觀粘度為52Pa·S，實(shí)施例2中所制得的納米潤(rùn)滑油脂涂在硅片基體上，用原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)表征微觀摩擦試驗(yàn)，載荷為200μN(yùn)時(shí)，摩擦系數(shù)小于0.1，見(jiàn)圖3，并且潤(rùn)滑油脂膜具有自修復(fù)性。具有高承載能力及自修復(fù)功能。

實(shí)施例3

6g納米二氧化硅加入到1.7g 3-三硅醇丙磺酸35％的水溶液中，在65℃下反應(yīng)24小時(shí)后，再在強(qiáng)烈攪拌下加入分子量為3500的二聚乙二醇十八胺5g，并調(diào)節(jié)pH至7，經(jīng)透析后進(jìn)行干燥處理，即得以二氧化硅為核的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂，所得潤(rùn)滑油脂中二氧化硅的含量為20.5wt％，表觀粘度為95Pa·S。具有高承載能力及自修復(fù)功能。

實(shí)施例4

6g納米二氧化硅加入到1.9g 3-三硅醇丙磺酸35％的水溶液中，在65℃下反應(yīng)24小時(shí)后，再在強(qiáng)烈攪拌下加入分子量為2500的二聚乙二醇十八胺4g，并調(diào)節(jié)pH至7，經(jīng)透析后進(jìn)行干燥處理，即得以二氧化硅為核的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂，所得潤(rùn)滑油脂中二氧化硅的含量為54wt％，表觀粘度為655Pa·S。具有高承載能力及自修復(fù)功能。

實(shí)施例5

6g納米二氧化鈦加入到1.8g 3-三硅醇丙磺酸35％的水溶液中，在65℃下反應(yīng)24小時(shí)后，再在強(qiáng)烈攪拌下加入分子量為2500的二聚乙二醇十八胺6g，并調(diào)節(jié)pH至7，經(jīng)透析后進(jìn)行干燥處理，即得以二氧化硅為核的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂，所得潤(rùn)滑油脂中二氧化鈦的含量為19.5wt％，表觀粘度為87Pa·S。具有高承載能力及自修復(fù)功能。

實(shí)施例6

2g碳納米管加入到0.52g 3-三硅醇丙磺酸35％的水溶液中，在60℃下反應(yīng)24小時(shí)后，再在強(qiáng)烈攪拌下加入分子量為3000的二聚乙二醇辛胺4g，并調(diào)節(jié)pH至7，經(jīng)透析后進(jìn)行干燥處理，即得以碳納米管為核的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂，所得潤(rùn)滑油脂中碳納米管的含量為32.5wt％，表觀粘度為320Pa·S。具有高承載能力及自修復(fù)功能。

實(shí)施例7

2.5g石墨烯加入到0.8g 3-三硅醇丙磺酸35％的水溶液中，在70℃下反應(yīng)24小時(shí)后，再在強(qiáng)烈攪拌下加入分子量為3000的二聚乙二醇十二胺5g，并調(diào)節(jié)pH至7，經(jīng)透析后進(jìn)行干燥處理，即得以石墨烯為核的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂，所得潤(rùn)滑油脂中石墨烯的含量為25.2wt％，表觀粘度為102Pa·S。具有高承載能力及自修復(fù)功能。

實(shí)施例8

2.5g石墨烯加入到0.7g 3-三硅醇丙磺酸35％的水溶液中，在70℃下反應(yīng)24小時(shí)后，再在強(qiáng)烈攪拌下加入分子量為3300的二聚乙二醇十八胺7g，并調(diào)節(jié)pH至7，經(jīng)透析后進(jìn)行干燥處理，即得以石墨烯為核的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂，所得潤(rùn)滑油脂中石墨烯的含量為19.2wt％，表觀粘度為60Pa·S。具有高承載能力及自修復(fù)功能。

實(shí)施例9

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中的納米粒子為石墨粉。制得的潤(rùn)滑油脂具有高承載能力及自修復(fù)功能。

實(shí)施例10

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中，碳納米管的質(zhì)量為6.8g，制得的潤(rùn)滑油脂具有高承載能力及自修復(fù)功能。

實(shí)施例11

本實(shí)施例的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂中的納米粒子的含量為10wt％，表觀粘度略大于50Pa·S，該潤(rùn)滑油脂具有高承載能力及自修復(fù)功能。其制備工藝過(guò)程與實(shí)施例1類(lèi)似。

實(shí)施例12

本實(shí)施例的自修復(fù)納米潤(rùn)滑油脂中的納米粒子的含量為60wt％，表觀粘度略小于50Pa·S，該潤(rùn)滑油脂具有高承載能力及自修復(fù)功能。其制備工藝過(guò)程與實(shí)施例1類(lèi)似。