介電常數(shù)在潤(rùn)滑油性能評(píng)定中的研究

潤(rùn)滑油是保障機(jī)械裝備持久穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，主要起潤(rùn)滑、冷卻、防銹、清潔、密封和緩沖等作用。準(zhǔn)確、及時(shí)地評(píng)定潤(rùn)滑油的各項(xiàng)性能，是潤(rùn)滑油從生產(chǎn)到使用全過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。國(guó)標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了潤(rùn)滑油的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。因此，通過(guò)測(cè)量性能參數(shù)，判斷是否符合指標(biāo)要求，是評(píng)定潤(rùn)滑油性能最直接和準(zhǔn)確的方法。但是潤(rùn)滑油多數(shù)參數(shù)的檢測(cè)都需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，限制了這些方法的實(shí)際工程應(yīng)用。

潤(rùn)滑油在使用一段時(shí)間后，會(huì)因多種原因引起油品變質(zhì)，導(dǎo)致潤(rùn)滑的基本性能下降，此時(shí)再采用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，不僅有操作復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，還存在實(shí)施不便，以及即時(shí)性差的情況。這些問(wèn)題導(dǎo)致不能及時(shí)、準(zhǔn)確的顯示潤(rùn)滑油的狀態(tài)。所以，油品在使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因性能檢測(cè)不及時(shí)而引發(fā)的設(shè)備故障問(wèn)題。

為能及時(shí)、方便、快捷、準(zhǔn)確地檢測(cè)潤(rùn)滑油性能，在油品性能檢測(cè)方面引入了很多新的現(xiàn)代技術(shù)。近些年，電學(xué)方法、鐵譜技術(shù)與光譜分析在潤(rùn)滑油性能檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中得到廣泛的研究與應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室離線檢測(cè)的不足。介電常數(shù)法是應(yīng)用于潤(rùn)滑油性能評(píng)定中較常用的一種電學(xué)方法，分析其基本原理、特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀，可為其在潤(rùn)滑油性能評(píng)定領(lǐng)域中拓展新的研究與應(yīng)用方向提供理論基礎(chǔ)。

一、介電常數(shù)法測(cè)試原理

（一）介電常數(shù)的概念

根據(jù)靜電學(xué)的研究成果，真空中一個(gè)孤立的電荷q會(huì)在其周圍產(chǎn)生電場(chǎng)E，當(dāng)另外的一個(gè)試驗(yàn)電荷q₀進(jìn)入到該電場(chǎng)中時(shí)會(huì)受到電場(chǎng)力的作用。根據(jù)力的作用與反作用性質(zhì)，電荷q也同樣受到試驗(yàn)電荷q₀所產(chǎn)生的電場(chǎng)的力的作用，且作用力的大小相等方向相反。由電荷q所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

                              （1）

試驗(yàn)電荷q₀在距電荷q的距離為r的點(diǎn)上受到的電場(chǎng)力為：

                          （2）

兩式中，ε₀為真空中的介電常數(shù)，r為距離點(diǎn)電荷q的徑向距離。根據(jù)式（1）可知，真空中的介電常數(shù)ε₀表征了孤立電荷q在給定的距離r上產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小。如果將式（1）中的真空條件換為某種電介質(zhì)，則同樣的孤立電荷q所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度將可表示為：

                            （3）

式中，ε為這種電介質(zhì)的介電常數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，人們通常將真空中的介電常數(shù)ε₀作為一個(gè)參照，而將電介質(zhì)的介電常數(shù)ε與ε₀的比值定義成為一個(gè)無(wú)量綱的相對(duì)介電常數(shù)ε_r，如式（4）所示：

                              （4）

研究中，沒(méi)有特殊說(shuō)明下，一般所指的電介質(zhì)介電常數(shù)均是相對(duì)介電常數(shù)。

（二）介電常數(shù)的測(cè)量

介電常數(shù)，又稱電容率，可通過(guò)測(cè)量平行板電容器的電容來(lái)計(jì)算介電常數(shù)，圖1為填充有電介質(zhì)的平板電容器在外加電場(chǎng)情況下的示意圖。電容器的電容量與極板尺寸及其間電介質(zhì)的介電性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)電容器內(nèi)充滿介電常數(shù)為ε的均勻電介質(zhì)時(shí)，其電容量可表示為：

                      （5）

式中，S表示電容器單極板的面積，d表示兩個(gè)極板之間的間距，ε₀=8.85×10^-12 F/m表示真空介電常數(shù)，ε_r表示電介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。C₀為無(wú)電介質(zhì)時(shí)電容器的電容，根據(jù)式（5），通過(guò)測(cè)量含有電介質(zhì)時(shí)電容器的電容C的方法，可以得到該電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε_r，表達(dá)式為：

                                （6）

由式（5）和（6）可以看出，當(dāng)一個(gè)電容傳感器制作好后，其電極板面積S和極板間距離d就是固定值，其在真空中的電容值C₀也是固定值。所以，電容內(nèi)的電介質(zhì)的介電常數(shù)僅與測(cè)得的電容有關(guān)，可通過(guò)測(cè)量電容值進(jìn)行表征。

圖1 平行板電容器

（三）電介質(zhì)的極化

置于電場(chǎng)中的電介質(zhì)，沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生偶極矩，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化現(xiàn)象。電介質(zhì)分子極化形式大約可分為下列三類：

一是電子位移式極化：在電場(chǎng)的作用下，分子中的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，引起分子的正負(fù)電荷中心不再重合，在電介質(zhì)內(nèi)部形成一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)。

二是離子式極化：這是在離子構(gòu)成的電介質(zhì)中，正負(fù)離子在有限范圍內(nèi)產(chǎn)生彈性位移而引起極化。

三是偶極式極化：在電場(chǎng)作用下，原來(lái)排列雜亂無(wú)章的分子取向趨于一致，而對(duì)外表現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)不為零，這種極化也叫取向極化。

物質(zhì)在外電場(chǎng)的作用下，電子位移極化和取向極化都可能發(fā)生，只不過(guò)在不同的情況下二者的強(qiáng)度不一樣。頻率較低時(shí)，取向極化能充分完成，因取向極化產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)大于電子位移極化產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，這時(shí)一般只考慮取向極化的影響。介電常數(shù)的大小只與物質(zhì)的種類有關(guān)，不同物質(zhì)介電常數(shù)差別較大，如水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于油的介電常數(shù)。隨著外加電場(chǎng)頻率的升高，取向極化作用逐漸減弱，介質(zhì)總的極化強(qiáng)度減弱，因此介質(zhì)的介電常數(shù)ε將隨頻率升高而減小。

（四）在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用原理

潤(rùn)滑油是一種復(fù)雜的混合物，可以看作是弱極性液體電介質(zhì)，介電常數(shù)大約為2.0左右。在潤(rùn)滑油介質(zhì)中起主要作用的是電子位移式極化和取向極化。介電常數(shù)法也稱電容法，是將潤(rùn)滑油及其中的污染物作為電介質(zhì)，其場(chǎng)強(qiáng)分布如圖3所示。圖中E₀為真空中電源電壓在極板間產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)；E₁為介質(zhì)偶極子產(chǎn)生的反向場(chǎng)強(qiáng)；E₂為油的雜質(zhì)在電場(chǎng)中激發(fā)的反向場(chǎng)強(qiáng)；E為合成場(chǎng)強(qiáng)（E=E₀-E₁-E₂）。由式（3）、（4）、（5）可得此時(shí)電容內(nèi)電介質(zhì)的介電常數(shù)ε為：

                  （7）

由式（7）可以看出，在電場(chǎng)存在的情況下，平板電容間充滿潤(rùn)滑油，極化分子的偶極矩沿電場(chǎng)方向排列，產(chǎn)生了一個(gè)附加電場(chǎng)，與原來(lái)的電場(chǎng)方向相反，削弱了原電場(chǎng)，介質(zhì)中的極化成分越多，使得潤(rùn)滑油的介電常數(shù)就越大，表現(xiàn)為電容增大，電容增大的倍數(shù)正是此時(shí)該介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。由于平行板電容器的電容C跟介電常量ε成正比，通過(guò)測(cè)量電容的變化就可以反映潤(rùn)滑油被污染物造成的理化性能的變化。

圖2 電容器極板間液體極化場(chǎng)強(qiáng)分布

當(dāng)以潤(rùn)滑油作為電介質(zhì)進(jìn)入平行板電容器極板間進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，被氧化的潤(rùn)滑油，其分子極性會(huì)發(fā)生變化，即E₁將增大；被污染的潤(rùn)滑油，其純凈度會(huì)發(fā)生變化，如：油質(zhì)進(jìn)水會(huì)產(chǎn)生H⁺和OH^-離子、有機(jī)酸會(huì)產(chǎn)生H⁺和RCOO^-離子、金屬顆粒會(huì)產(chǎn)生自由電子等都會(huì)使E₂明顯增大，從而使合成場(chǎng)強(qiáng)E減小，使油質(zhì)的介電常數(shù)顯著的增加。隨著氧化產(chǎn)物和熱降解產(chǎn)物的積累，外來(lái)污染物的不斷增加，油中極化分子也不斷增多，這樣會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油的介電常數(shù)發(fā)生變化；同時(shí)，由于摩擦和磨損，磨損的金屬粒子和其它導(dǎo)電性強(qiáng)的化合物也會(huì)使?jié)櫥偷慕殡姵?shù)發(fā)生變化。潤(rùn)滑油介質(zhì)的極化成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就直接影響到其介電常數(shù)的大小。因此，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油的介電常數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的性能。

二、在潤(rùn)滑油性能檢測(cè)中的研究

（一）含水檢測(cè)

水的介電常數(shù)為80左右，油的介電常數(shù)為2左右，如果油中混入少量水分，會(huì)直接引起油的介電常數(shù)發(fā)生明顯變化，所以介電常數(shù)在潤(rùn)滑油性能檢測(cè)中的一項(xiàng)主要作用是評(píng)價(jià)油品含水情況。

有研究表明，利用電容式傳感器監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油污染程度與污染物種類及其含量的變化過(guò)程中，隨著含水量的增大，潤(rùn)滑油的介電常數(shù)呈上升趨勢(shì)。當(dāng)含水量小于2.0%時(shí)，不同溫度下潤(rùn)滑油的介電常數(shù)與含水量基本上呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)關(guān)系；當(dāng)潤(rùn)滑油溫度升高時(shí)，介電常數(shù)增大。當(dāng)2.0%<含水量<3.5~4%時(shí)，隨著溫度升高，介電常數(shù)隨含水量的變化趨勢(shì)逐漸變緩。當(dāng)含水量大于4.0%時(shí)，潤(rùn)滑油的介電常數(shù)隨著溫度的升高反而降低。

在含水潤(rùn)滑油介電常數(shù)的研究中，可以通過(guò)設(shè)計(jì)合理的高精度電容傳感器，測(cè)量不同潤(rùn)滑油在不同含水量條件下的介電常數(shù)，再通過(guò)數(shù)學(xué)分析方法，擬合出每種油品的含水量與介電常數(shù)關(guān)系曲線，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)方法預(yù)測(cè)油品含水量變化情況，表征油品污染程度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)油品的介電常數(shù)判斷油品的含水量，免去傳統(tǒng)含水量測(cè)量的復(fù)雜過(guò)程和高昂花費(fèi)，具備簡(jiǎn)單、快捷的特點(diǎn)，在一定范圍內(nèi)，測(cè)量值具有可靠性；該方法的不足之處在于不同油品或同種油品不同批號(hào)的含水量與介電常數(shù)函數(shù)關(guān)系式均不統(tǒng)一，針對(duì)每個(gè)樣品要進(jìn)行一次多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與擬合，增加了大量的工作量。

（二）顆粒檢測(cè)

發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油在長(zhǎng)時(shí)間使用后，油中會(huì)混入一定量的積炭和金屬磨屑，影響潤(rùn)滑油的介電常數(shù)，改變潤(rùn)滑油污染程度。利用介電常數(shù)變化，監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油中碳和金屬磁性顆粒含量情況的研究也是近年來(lái)介電常數(shù)與潤(rùn)滑油性能評(píng)定研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。碳和金屬顆粒是良性導(dǎo)體，當(dāng)潤(rùn)滑油中含有這些顆粒時(shí)，介電常數(shù)很大，在外電場(chǎng)作用下，這兩種物質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生與外電場(chǎng)相反的電場(chǎng)，進(jìn)而影響潤(rùn)滑油的介電常數(shù)。有研究表明，隨著碳顆粒和金屬磁性顆粒含量的增大，電容的測(cè)量值不斷上升，潤(rùn)滑油的介電常數(shù)明顯呈上升趨勢(shì)，與含量幾乎成線性關(guān)系。

（三）酸值檢測(cè)

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑油中的部分碳?xì)浠衔锓肿颖谎趸伤幔渲械奶砑觿┮脖恢饾u消耗，使得潤(rùn)滑油中的有機(jī)酸含量增加；此外，燃料燃燒的產(chǎn)物亦會(huì)滲入其中，使油中的無(wú)機(jī)酸增加。這樣最終會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油的總酸值升高，加重對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕，不利于其正常工作。潤(rùn)滑油中酸含量增加，在外電場(chǎng)作用下，酸中的H⁺和RCOO^-離子會(huì)發(fā)生離子極化，形成內(nèi)電場(chǎng)抵消外電場(chǎng)強(qiáng)度，從而使?jié)櫥偷慕殡姵?shù)增加。

潤(rùn)滑油中水分含量、碳顆粒和鐵磨粒含量以及總酸值的增加，都會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油介電常數(shù)的增加，其中對(duì)介電常數(shù)影響最大的是水含量。由于這3個(gè)理化指標(biāo)是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油品質(zhì)的主要指標(biāo)，因此，潤(rùn)滑油的介電常數(shù)可以作為衡量其劣化程度的指標(biāo)，可以通過(guò)電容式傳感器監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油理化性能，來(lái)判斷潤(rùn)滑油是否失效，進(jìn)一步確定更換潤(rùn)滑油的最佳時(shí)機(jī)。

三、介電常數(shù)在潤(rùn)滑油分水性能評(píng)定中的拓展研究方向

通過(guò)電容法可以得到潤(rùn)滑油的介電常數(shù)，介電常數(shù)的變化表征了潤(rùn)滑油含水情況，當(dāng)潤(rùn)滑油的含水情況發(fā)生變化時(shí)，必將引起介電常數(shù)發(fā)生變化。目前利用介電常數(shù)評(píng)定潤(rùn)滑油性能的研究多數(shù)集中在測(cè)定潤(rùn)滑油在一定時(shí)期或狀態(tài)下的含水情況，用來(lái)監(jiān)測(cè)油品的老化或變質(zhì)程度。從某種角度上說(shuō)這是油品靜態(tài)含水量監(jiān)測(cè)，此時(shí)的含水量變化較小，表征的是潤(rùn)滑油在此階段的含水情況。

潤(rùn)滑油的抗乳化性是用來(lái)表征潤(rùn)滑油混入水后，對(duì)水的分離能力。國(guó)際上通用的潤(rùn)滑油抗乳化性評(píng)定方法為美國(guó)的ASTM D1401（相當(dāng)于我國(guó)的GB/T 7305）和英國(guó)的BS 2000-19（相當(dāng)于我國(guó)的SH/T 0191）標(biāo)準(zhǔn)，其方法均是通過(guò)測(cè)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的油水分離體積所用的時(shí)間來(lái)表征潤(rùn)滑油的抗乳化性。在潤(rùn)滑油實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，油品的抗乳化性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但潤(rùn)滑油中的含水量還是能夠造成機(jī)械設(shè)備損壞。現(xiàn)用的潤(rùn)滑油抗乳化性評(píng)定方法用來(lái)表征潤(rùn)滑油分水性能還存在一定的不足，其僅能通過(guò)油水分離時(shí)間來(lái)表征抗乳化性能優(yōu)劣，但不能顯示分水后油層的含水情況。如果將潤(rùn)滑油的抗乳化性評(píng)定方法與分水后油層含水量測(cè)定結(jié)合起來(lái)，將能更全面準(zhǔn)確地表征潤(rùn)滑油的分水性能。

利用含水量引起的介電常數(shù)變化的特點(diǎn)，結(jié)合潤(rùn)滑油抗乳化性評(píng)定方法，可以利用介電常數(shù)來(lái)表征潤(rùn)滑油分水的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。評(píng)定潤(rùn)滑油的抗乳化性，就是評(píng)定潤(rùn)滑油分水能力，其測(cè)量過(guò)程就是分水過(guò)程。將介電常數(shù)引入到潤(rùn)滑油分水性能評(píng)定中，在油水分離過(guò)程中，用油中含水量快速降低引起的電容下降表征分水快慢，用電容值表征分水后的含水量，能夠?qū)崿F(xiàn)抗乳化性與含水量的同步測(cè)量。俄羅斯汽輪機(jī)油綜合鑒定法中，對(duì)汽輪機(jī)油抗乳化性評(píng)定方法就采用了介電常數(shù)法。其要求在室溫（18~24℃）條件下進(jìn)行油水分離，這種情況致使油品完成油水分離時(shí)間較長(zhǎng)；并且試驗(yàn)停止條件限制為三次測(cè)得電容值差不大于0.1pF，如果油品的分水性能較差，在室溫下分水會(huì)很慢，敏感的電容傳感器很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到0.1pF的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。俄羅斯的汽輪機(jī)油抗乳化性評(píng)定法中僅用電容變化表征破乳化時(shí)間，并沒(méi)有表征含水量。

如果能將介電常數(shù)法與ASTM D1401和BS 2000-19相結(jié)合，開(kāi)發(fā)能夠用于標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1401和BS 2000-19中的介電常數(shù)測(cè)定設(shè)備，既可以解決分水性差的油品在室溫下分水慢導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，又可以通過(guò)測(cè)量不同油品分水后油層的電容值來(lái)表征油層的相對(duì)含水量大小，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油抗乳化性測(cè)定與含水量的范圍劃定。該研究將為介電常數(shù)在潤(rùn)滑油性能評(píng)定中的應(yīng)用拓展新的方向。

四、結(jié)束語(yǔ)

介電常數(shù)作為評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油性能的指標(biāo)，已得到廣泛認(rèn)可與應(yīng)用。將其與現(xiàn)用的潤(rùn)滑油性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方法相結(jié)合，研究具有符合功能的潤(rùn)滑油性能評(píng)定技術(shù)，將會(huì)成為潤(rùn)滑油性能評(píng)定領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。