在全球碳中和目标的推动下，传统矿物切削液的高污染、高能耗问题日益凸显。近日，青岛理工大学联合香港理工大学等机构在《Frontiers of Mechanical Engineering》发表重磅综述，系统评估了生物润滑剂在钛合金、镍基合金等航空航天材料磨削中的应用效果。研究表明，植物基润滑剂结合纳米增强技术，可显著降低磨削温度、减少砂轮磨损，同时实现碳排放减少50%以上。这一成果为航空航天制造绿色转型提供了关键技术支撑。

传统切削液之困：高污染与高成本的“双重枷锁”

作为金属加工的核心耗材，全球每年消耗超400万吨矿物切削液，但其环境代价触目惊心：1升矿物油可污染100万升淡水，加工过程中产生的PM2.5和油雾更是威胁工人健康。据论文数据，切削液处理成本占加工总成本的18%-21%，远超刀具费用。欧盟《绿色新政》等法规的收紧，迫使制造业寻找可持续替代方案。

生物润滑剂的问世打破了这一僵局。以大豆、棕榈油等植物提取物为基础，生物润滑剂具备可降解、无毒的特性，碳排放量仅为矿物油的1/3。研究团队通过实验证实，在钛合金磨削中，棕榈油基润滑剂可使法向磨削力降低72.2%，表面粗糙度（Ra值）从0.7μm降至0.295μm，同时砂轮寿命延长1.5倍。

纳米技术赋能：植物油的“性能跃迁”

尽管生物润滑剂环保优势显著，但其热稳定性差、润滑膜强度不足等问题曾制约应用。研究团队创新性地引入纳米增强技术——将石墨烯、Al₂O₃等纳米颗粒与植物油复合，开发出“植物基纳米流体”。实验显示：

• 钛合金磨削：添加0.1wt.%石墨烯的棕榈油，磨削温度从278.9℃降至183.6℃，工件表面烧伤率下降80%；
• 镍基合金加工：Al₂O₃纳米颗粒使砂轮磨损率降低32.9%，材料去除率提升71.8%；
• 高强度钢处理：石墨烯氧化物纳米流体使表面残余应力从拉应力转为压应力，疲劳寿命延长3倍。

纳米颗粒通过“微轴承效应”和“热边界层优化”双路径发挥作用：球形Al₂O₃在摩擦界面滚动，将滑动摩擦转化为滚动摩擦；石墨烯凭借超高导热性（5300 W/m·K）快速导出磨削热，避免材料热软化。此外，纳米颗粒与植物油的协同效应还提升了润滑膜吸附强度，在高温高压下仍保持稳定。

材料定制方案：破解三大合金磨削难题

针对航空航天领域三大典型难加工材料，研究团队提出定制化解决方案：

1. 钛合金：优先选用高粘度棕榈油，搭配石墨烯纳米颗粒。钛合金导热性差易导致热堆积，石墨烯可将传入工件的热能比例从58%降至35%，结合低温冷风技术可彻底消除表面烧伤。
2. 镍基合金：推荐含极性基团的蓖麻油，配合Al₂O₃纳米颗粒。镍基合金硬度高达100HRC，Al₂O₃的滚动支撑作用可减少砂轮实际接触面积，使比磨削能降低34.1%。
3. 高强度钢：采用低粘度菜籽油，结合高压水射流清洗技术。纳米流体在减少磨屑粘附的同时，高压水射流可将砂轮堵塞率从45%降至12%，加工效率提升40%。

从实验室到生产线：绿色制造的未来图景

目前，该技术已在WK-12型电动铲等装备的仿真平台上验证，并开始与商飞、中国航发等企业合作试点。据测算，全面应用生物润滑剂可使航空航天部件加工能耗降低27%，润滑剂成本节约60%，同时减少危废处理费用约800元/吨。

展望未来，研究团队正攻关两大方向：一是开发环氧改性技术，将生物润滑剂的闪点从280℃提升至350℃，适应超高温加工环境；二是构建纳米颗粒-基油适配数据库，通过机器学习优化浓度配比。随着3D打印、数字孪生等技术融合，生物润滑剂有望成为“智慧工厂”的标准配置。

结语

从“矿物依赖”到“植物驱动”，这场润滑剂革命不仅关乎技术迭代，更是制造业可持续发展的必由之路。中国科研团队的技术突破，标志着我国在高端装备绿色制造领域已从“跟跑”转向“领跑”。未来，随着碳中和进程加速，生物润滑剂或将成为解锁绿色工业的“关键密码”，推动航空航天业向高效、清洁、安全的新纪元迈进。

来源: FME机械工程前沿