本发明涉及金属磨损自修复材料技术领域，具体涉及一种微纳米智能基金属磨损自修复材料及其制备和使用方法。
背景技术：
长期以来，为了避免机械零件的磨损，减少因磨损产生的机械失效等问题，对磨损表面进行修复一直是研究的热点。机械磨损部件在同一摩擦过程中，磨擦磨损与摩擦修复往往同时存在，摩擦磨损的自适应，自修复是材料学和摩擦学设计的最终目标，金属磨损自修复技术可以显著改善接触和摩擦表面的化学和力学性能，还能对磨损表面进行动态原位修复，降低机械损耗，从而降低能耗和大幅度地延长装备的使用寿命。
现有减小摩擦磨损的技术中，有表面化学热处理方法，即对金属的表面进行热处理，通过加入活性介质(氮、碳、硼等)，改变表面的化学组成和组织结构，从而很好的减小材料的摩擦磨损。还有在金属零件表面镀一层抗磨损的保护膜，或者是向润滑油中加入耐磨添加剂，从而改善金属的耐磨效果。传统的加微米级固体颗粒添加剂的磨合机制主要是对表面形成挤压、塑性变形、切削等去除作用，即磨粒磨损。还有近几年开发出的一种金属摩擦磨损自修复技术，其将微细粉体加入润滑油中，在设备运行中与铁基体发生化学反应，生成减磨性能优异的金属陶瓷保护层，实现金属磨损的原位自修复。
现有的技术中，自修复材料的成分有羟基硅酸镁——蛇纹石为主的复杂矿石粉体、少量催化剂和添加剂，修复机理多是在一定条件下能和铁基金属发生复杂的物理化学反应，生成金属修复层。自修复材料经过多年的发展，现在已经开发到第三代产品，前两代产品都有自修复需要的时间长，修复效果需要经过长时间的验证等缺点。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种微纳米智能基金属磨损自修复材料及其制备和使用方法，将该微纳米智能基金属磨损自修复材料以硅元素为主要成分，配合其他成分，并加入复合稀土起到催化作用，然后加入润滑油或润滑脂中，可以增加金属摩擦表面的硬度，降低摩擦系数，提高金属表面的耐磨性，并且作用过程中，可以在金属表面形成耐磨保护层，对金属摩擦表面的磨损进行修复，其自修复时间短，延长了机械的工作寿命，节省润滑和燃料成本。
本发明的一种微纳米智能基金属磨损自修复材料，其组成包括按重量份计的如下组分：
氧化硅97.1～97.8份，氧化镁20.8～21.9份，氧化铝5.2～6.5份，氧化铁12.7～13.8份，三氧化二钛0.21～0.26份，氧化钙9.5～10.2份，复合稀土0.8～1.5份，氧化镍0.09～0.1份，氧化锶0.02～0.03份，氧化锌0.01～0.02份，氧化钼0.5～0.8份，五氧化二磷0.3～0.4份；
其中，所述的复合稀土为稀土元素与其他元素复合的稀土，其含有的成分及其重量份数分别为：镍0.10～0.15份，钴0.035～0.036份，铈0.025～0.028份，钨0.036～0.039份，锶0.047～0.050份，钪0.01～0.02份；
所述的微纳米智能基金属磨损自修复材料是混合粉体，混合粉体中，复合稀土的平均粒径为1～100μm，除复合稀土外，其他原料粉体的平均粒度为1～100nm。
所述的复合稀土，其来源有两种：
第一种，开采的矿石，进行破碎、磁选、水析、除铁、球磨，得到粒径为1～100微米的复合稀土；
第二种，按照复合稀土的组成和配比，将元素混合，球磨，得到粒径为1～100微米的复合稀土。
本发明的一种微纳米智能基金属磨损自修复材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将微纳米智能基金属磨损自修复材料的原料分别进行球磨，得到球磨后的原料；
(2)将球磨后的原料按配比称量后，混合，置于球磨机上再次进行球磨，使原料充分混合，即得到微纳米智能基金属磨损自修复材料。
所述的步骤(1)中，原料分别球磨的工艺参数具体为：球磨采用的设备为球磨机械高能搅拌式球磨机，球磨时间为4～30h，料球比为(4～6)：1，其目的在于得到粒径符合要求的原料，并对原料进行机械活化。
所述的步骤(2)中，再次球磨的工艺参数为：球磨采用的设备为行星式球磨机，球磨转速为50～100r/min，球磨时间为5～10min，料球比为(4～6)：1，其作用在于使得原料混合充分。
本发明的一种微纳米智能基金属磨损自修复材料的使用方法，具体为：以润滑油或润滑脂为载体，将微纳米智能基金属磨损自修复材料加入其中，加热至60～75℃，并进行搅拌，然后置于超声波中进行分散，将得到的分散均匀的混合物加入发动机中，进行使用；其中，微纳米智能基金属磨损自修复材料的加入质量占润滑油或润滑脂总质量的0.02％～0.08％。
所述的搅拌的搅拌速率为3000～4000r/min，搅拌时间为30～40min。
所述的超声波的超声频率为20～40khz，超声时间为20～30min。
经过检测，金属表面层显微硬度为hv690～1100，干摩擦系数≤0.005。
本发明的一种微纳米智能基金属磨损自修复材料其含有的复合稀土为催化剂，其中含有的成分钴与稀土元素共同作用，起到催化氧化的作用，可以提高修复速度。氧化钼具有高的熔点和硬度，很好的耐磨性和机械稳定性、抗腐蚀性，zn在金属磨损自修复中，能穿透金属表面渗入到fe，并且氧化锌作为活化剂，同催化剂共同作用。tio2纳米粒子在摩擦表面形成一层抗高温的边界润滑膜，并可及时填补损伤部位，具有自修复功能，使得摩擦表面始终处于较为平整的状态。二氧化硅分别与氧化镁，氧化铝，氧化钙等原料，经高温挤压后晶粒放大，大多数再结晶后，显微组织是密集的退火孪晶，发生反应生成硅酸镁，硅酸钙，硅酸铝等，各种物质融汇在一起，经高温高压后，便形成超滑耐酸碱的陶瓷层。加入复合稀土，经高温，高压，所产生的负电压(电极)，能把微纳米智能基金属磨损自修复材料迅速作用到产生磨损的部位，加速了陶瓷的成相。
铁基是由多种元素组成的固溶体，这些元素在生产加工中导致化学的不稳定状态，而这些固溶体成分常有偏析，添加剂和溶剂一方面使铁基具有必要性，另一方面它又是再结晶学水平上内应力的集中源和化学上最有害夹杂的生成源，这些杂质首先与周围的元素发生作用，在生产制造过程中导致大量氢原子溶解到金属中，致使摩擦表面产生氢脆裂纹。加入的自修复材料，使得晶界发生移动，完成自我修复过程。
本发明的微纳米智能基金属磨损自修复材料中大多数采用天然的超细微纳米级矿物质的成分为原料，它们都是经复杂的加工工艺而成的。它无毒无害无污染以润滑油或润滑脂为载体，带入摩擦副表面，对已经磨损的机器零部件表面进行不拆卸原位修复，利用铁基金属表面摩擦产生的高热能，在超细研磨作用下，自修复材料的粒径相对于金属摩擦表面的微凸体和微凹坑来说，依然是大尺寸，在机械摩擦过程中，自修复材料颗粒被研磨细化，使金属表面发生一系列的物理和化学反应，通过对铁基金属表面的微冶金作用，实现对铁基金属表面的合金改造，同时，自修复材料穿透油膜对摩擦副表面上的污物进行清理，形成了与铁基金属连为一体的金属陶瓷保护层。新生成的金属陶瓷保护层与原铁基体形成化学键结合，无明显界面，不会起层或脱落，却具有非常优异的理化性能和超低的摩擦系数，能自动保障合理的摩擦福间隙，并大大提高原机体表面的硬度和光滑度。
自修复过程中，发生的化学和物理变化是，在催化剂和活化剂作用下，发生微冶炼，其中，活化剂还起到自发复活硫化作用，进而减少用量和缩短时间。在超精研磨细化作用下中，微凸体发生断裂时产生的闪温，晶格发生变化使微粒晶体中的金属原子和摩擦副表面的铁原子发生置换反应，生成—置换的同时溶解在金属表面的氢原子被氧化还原，杜绝了氢脆裂变在铁基金属摩擦表面生成硅酸盐新晶体，摩擦释放的热能使这种化学反应持续进行，随着新晶体在摩擦表面的不断增加就形成了铁硅酸盐新晶体，最终形成了与铁基金属成化学键结合的耐磨保护层铁基硅酸盐——即金属陶瓷保护层，该层的形成起到了磨损自修复功能。
本发明的微纳米智能基金属磨损自修复材料具有微纳米结构，微纳米结构具有高的表面性能和化学活性，使得其容易在磨损表面沉积，形成低熔点和易剪切的防护层，从而实现自动修复被磨损的金属表面，使其摩擦系数及振动显著降低，减少噪音，降低发动机尾气碳氢颗粒等有害气体的排放(30-85％)具有显著的技术，经济和社会效益。智能自修复材料具有超强的自修复能力，使磨损部位与金属基体融为一体，永久不脱落，内壁光滑如新，提高了发动机的密封性和功效同时提高润滑油的润滑度700倍几乎近于零摩擦。冷启动不再干摩擦，启动更容易。清除积碳加，油泥，胶质，保持发动机内部的清洁，更有效的解决烧机油冒黑烟现象提升动力，降低油耗，延缓机油的换油周期，延长发动机使用寿命，节约维修成本。该产品应用极为广泛，可用于存在摩擦磨损的机械设备中，在机械制造，交通运输，冶金矿山和电力机械，船舶等。
本发明的一种微纳米智能基金属磨损自修复材料及其制备和使用方法，相比于现有技术，其有益效果在于：
1、本发明采用微纳米固体粉末为微纳米智能基金属磨损自修复材料，其粒径范围在1～100nm，具有比表面积大、微粒尺寸小，表面能、表面原子数和表面张力随粒径的下降急剧增大，表现出小尺寸效应、表面与界面效应，量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，并对金属磨损自修复起到了关键作用，增加了金属摩擦表面的硬度，降低了摩擦系数。
2、将微米固体粉末加入到润滑油或润滑脂中，因其密度比轻质矿物油密度大，很容易形成沉淀析出。将纳米固体粉末颗粒应用于润滑油或润滑脂中，除了会发生沉淀析出外，还容易造成粒子之间相互吸附和团聚而析出。本发明的微纳米智能基金属磨损自修复材料是微纳米颗粒，其在使用时，为了能在润滑油中均匀分散，采用的技术是超声波，利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等，可以较大幅度地弱化纳米粒子间的超微作用能，有效地防止纳米粒子团聚而使之充分分散，使得微纳米智能基金属磨损自修复材料可以稳定分散在润滑油中，增加了材料的使用率和商业化价值。
3、采用本发明可以提升旧车发动机的缸压接近新机水平，实现免拆装自动修复。
4、本发明的修复材料应用广泛，可以适用于飞机、船舶、车辆等机械设备。开发成功的该材料具有广扩的应用前景，并能够推动我国表面工程摩擦学领域应用基础的研究，同时能带动我国传统产业的提升和改造，对我国国民经济的发展有着重大深远意义。
5、本发明的微纳米智能基金属磨损自修复材料起到自修复的主要功效为：机械节省电能和燃油5-15％，缸压密封的提高，动力增强工作效率提高5-30％，降低机油消耗，可使机油使用寿命延长1-5倍。冷启动效果好，减少尾气排放中的有害物质(一氧化碳和碳氢化合物)40-50％，氮氧化合物下降16-18％，柴油机排放的烟雾浓度减少40-60％，减震降噪效果显著可迖4-7个单位，最高可降90％以上。
6、现有的金属磨损自修复材料的自修复时间长，需要30h以上，本发明的微纳米智能基金属磨损自修复材料的修复时间短，基本上20～30min即可完成，其主要是在催化剂作用下，磨损部位的负电压将微纳米智能基金属磨损自修复材料迅速吸附到磨损部位，进行自修复。
7.本发明的微纳米智能基金属磨损自修复材料，采用微米和纳米粒径混合，在粒径尺度上有“中和效应”，促进了滑动磨损，缓和了磨粒磨损，纳米颗粒对磨合磨损起到缓和作用，还对磨合表面的结构起到了填充作用，从而实现金属磨损表面的自修复。
8.本发明使用的材料的组成在磁性、光吸收、热阻及熔点等方面与常规材料相比，显出特异功能和特殊的光学性能，它的表面具有大量的羟基和不饱和残键，可以在摩擦副表面分子置换出一种新的物质，就是金属陶瓷保护层，这种金属陶瓷保护层显著降低了摩擦系数和磨损性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种微纳米智能基金属磨损自修复材料，其组成包括按重量份计的如下组分：
氧化硅97份，氧化镁21.4份，氧化铝5.7份，氧化铁13.3份，三氧化二钛0.2份，氧化钙9.9份，复合稀土1份，氧化镍0.1份，氧化锶0.02份，氧化锌0.01份，氧化钼0.5份，五氧化二磷0.4份；
其中，所述的复合稀土为稀土元素与其他元素复合的稀土，其含有的成分及其重量份数分别为：镍0.12份，钴0.036份，铈0.027份，钨0.038份，锶0.049份，钪0.01份；
所述的微纳米智能基金属磨损自修复材料是混合粉体，混合粉体中，复合稀土的平均粒径为1～10μm，除复合稀土外，其他粉体的平均粒度为1～10nm。
一种微纳米智能基金属磨损自修复材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将微纳米智能基金属磨损自修复材料的原料分别进行球磨，得到球磨后的原料；
原料分别球磨的工艺参数具体为：球磨采用的设备为球磨机械高能搅拌式球磨机，球磨时间为20h，料球比为4：1，其目的在于得到粒径符合要求的原料，并对原料进行机械活化。
(2)将球磨后的原料按配比称量后，混合，置于球磨机上再次进行球磨。
再次球磨的工艺参数为：球磨采用的设备为行星式球磨机，球磨转速为50r/min，球磨时间为10min，料球比为4：1。
本实施例采用的润滑油为美孚1号机油。
一种微纳米智能基金属磨损自修复材料的使用方法，具体为：以美孚1号机油为载体，将微纳米智能基金属磨损自修复材料加入其中，加热至60℃，并进行搅拌，搅拌速率为3000r/min，搅拌时间为40min。然后置于超声波中进行分散，超声频率为20khz，超声时间为30min。将得到的分散均匀的混合物加入发动机中，进行使用；其中，微纳米智能基金属磨损自修复材料的加入质量占美孚1号机油总质量的0.04％。
对加入本实施例的微纳米智能基金属磨损自修复材料的美孚1号机油和未加入的美孚1号机油进行如下对比分析实验：
实验例(1)将美孚1号机油加满油箱，开机，依次加入570g载荷，当载荷总重达到1710g时，机器抱死，自动停机。计算此时的摩擦阻力为3000g，因1710克载荷在试块与试环间产生的摩擦阻力，等于或大于机器的转动力，经过计算磨损面为7.01mm2。
实验例(2)将实施例1中制备的微纳米智能基金属磨损自修复材料的美孚1号机油加满油箱，开机，依次加入570g载荷，当载荷总重达到1710g时，机械依然正常运行。计算此时的摩擦阻力为726g。因1710克载荷在试块与试环间产生的摩擦阻力，小于机器的转动力，说明本材料起到了润滑效果，经过计算磨损面为0.382mm2。
通过对比实验例(1)和对比实验例(2)的对比，加入了本实施例制备的微纳米智能基金属磨损自修复材料，其磨损面减小了94.6％，摩擦阻力减小了76％
实验例(3)将实施例1中制备的微纳米智能基金属磨损自修复材料的美孚1号机油加满油箱，开机，依次加入570g载荷，当载荷总重达到6840g时，机械依然正常运行。将加入油箱的机油去除后，依然可以负载6840g。
实施例2
一种微纳米智能基金属磨损自修复材料，其组成包括按重量份计的如下组分：
氧化硅97.1份，氧化镁21.9份，氧化铝5.2份，氧化铁12.7份，三氧化二钛0.26份，氧化钙10.2份，复合稀土0.8份，氧化镍0.09份，氧化锶0.03份，氧化锌0.01份，氧化钼0.5份，五氧化二磷0.4份；
其中，所述的复合稀土为稀土元素与其他元素复合的稀土，其含有的成分及其重量份数分别为：镍0.10份，钴0.036份，铈0.028份，钨0.036份，锶0.047份，钪0.02份；
所述的微纳米智能基金属磨损自修复材料是混合粉体，混合粉体中，复合稀土的平均粒径为90～100μm，除复合稀土外，其他原料粉体的平均粒度为40～50nm。
所述的复合稀土，其来源有两种：
第一种，开采的矿石，进行破碎、磁选、水析、除铁、球磨，得到粒径为1～100微米的复合稀土；
第二种，按照复合稀土的组成和配比，将元素混合，球磨，得到粒径为1～100微米的复合稀土。
一种微纳米智能基金属磨损自修复材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将微纳米智能基金属磨损自修复材料的原料分别进行球磨，得到球磨后的原料；
原料分别球磨的工艺参数具体为：球磨采用的设备为球磨机械高能搅拌式球磨机，球磨时间为30h，料球比为6：1，其目的在于得到粒径符合要求的原料，并对原料进行机械活化。
(2)将球磨后的原料按配比称量后，混合，置于球磨机上再次进行球磨，使原料充分混合，即得到微纳米智能基金属磨损自修复材料。
再次球磨的工艺参数为：球磨采用的设备为行星式球磨机，球磨转速为60r/min，球磨时间为10min，料球比为6：1，其作用在于使得原料混合充分。
本实施例采用的为德国克鲁勃润滑脂。
一种微纳米智能基金属磨损自修复材料的使用方法，具体为：以德国克鲁勃润滑脂为载体，将微纳米智能基金属磨损自修复材料加入其中，加热至70℃，并进行搅拌，搅拌速率为4000r/min，搅拌时间为30min。
然后置于超声波中进行分散，超声频率为40khz，超声时间为20min。将得到的分散均匀的混合物加入发动机中，进行使用；其中，微纳米智能基金属磨损自修复材料的加入质量占德国克鲁勃润滑脂总质量的0.02％。
经过检测，金属表面层显微硬度为hv690，干摩擦系数为0.0042。
实施例3
一种微纳米智能基金属磨损自修复材料，其组成包括按重量份计的如下组分：
氧化硅97.8份，氧化镁20.8份，氧化铝6.5份，氧化铁13.8份，三氧化二钛0.21份，氧化钙9.5份，复合稀土1.5份，氧化镍0.1份，氧化锶0.02份，氧化锌0.02份，氧化钼0.8份，五氧化二磷0.3份；
其中，所述的复合稀土为稀土元素与其他元素复合的稀土，其含有的成分及其重量份数分别为：镍0.15份，钴0.035份，铈0.025份，钨0.039份，锶0.050份，钪0.01份；
所述的微纳米智能基金属磨损自修复材料是混合粉体，混合粉体中，复合稀土的平均粒径为90～100μm，除复合稀土外，其他原料粉体的平均粒度为90～100nm。
所述的复合稀土，其来源为开采的矿石，进行破碎、磁选、水析、除铁、球磨，得到粒径为1～100微米的复合稀土；
一种微纳米智能基金属磨损自修复材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将微纳米智能基金属磨损自修复材料的原料分别进行球磨，得到球磨后的原料；
原料分别球磨的工艺参数具体为：球磨采用的设备为球磨机械高能搅拌式球磨机，球磨时间为4h，料球比为5：1，其目的在于得到粒径符合要求的原料，并对原料进行机械活化。
(2)将球磨后的原料按配比称量后，混合，置于球磨机上再次进行球磨，使原料充分混合，即得到微纳米智能基金属磨损自修复材料。
再次球磨的工艺参数为：球磨采用的设备为行星式球磨机，球磨转速为100r/min，球磨时间为10min，料球比为5：1，其作用在于使得原料混合充分。
本实施例采用的为德国克鲁勃润滑脂。
一种微纳米智能基金属磨损自修复材料的使用方法，具体为：以德国克鲁勃润滑脂为载体，将微纳米智能基金属磨损自修复材料加入其中，加热至75℃，并进行搅拌，搅拌速率为3500r/min，搅拌时间为40min。
然后置于超声波中进行分散，超声频率为30khz，超声时间为30min。将得到的分散均匀的混合物加入发动机中，进行使用；其中，微纳米智能基金属磨损自修复材料的加入质量占德国克鲁勃润滑脂总质量的0.08％。
经过检测，金属表面层显微硬度为hv1100，干摩擦系数为为0.0048。