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介電常數在潤滑油性能評定中的研究
潤滑油是保障機械裝備持久穩定運轉的基礎，主要起潤滑、冷卻、防銹、清潔、密封和緩沖等作用。準確、及時地評定潤滑油的各項性能，是潤滑油從生產到使用全過程中必不可少的環節。國標和行業標準中規定了潤滑油的各項性能指標要求。因此，通過測量性能參數，判斷是否符合指標要求，是評定潤滑油性能最直接和準確的方法。但是潤滑油多數參數的檢測都需要在實驗室中進行，限制了這些方法的實際工程應用。
潤滑油在使用一段時間后，會因多種原因引起油品變質，導致潤滑的基本性能下降，此時再采用傳統的檢測方法，不僅有操作復雜、成本高等問題，還存在實施不便，以及即時性差的情況。這些問題導致不能及時、準確的顯示潤滑油的狀態。所以，油品在使用過程中，經常會出現因性能檢測不及時而引發的設備故障問題。
為能及時、方便、快捷、準確地檢測潤滑油性能，在油品性能檢測方面引入了很多新的現代技術。近些年，電學方法、鐵譜技術與光譜分析在潤滑油性能檢測與實時監測中得到廣泛的研究與應用，彌補了傳統實驗室離線檢測的不足。介電常數法是應用于潤滑油性能評定中較常用的一種電學方法，分析其基本原理、特點與研究現狀，可為其在潤滑油性能評定領域中拓展新的研究與應用方向提供理論基礎。
一、介電常數法測試原理
（一）介電常數的概念
根據靜電學的研究成果，真空中一個孤立的電荷q會在其周圍產生電場E，當另外的一個試驗電荷q0進入到該電場中時會受到電場力的作用。根據力的作用與反作用性質，電荷q也同樣受到試驗電荷q0所產生的電場的力的作用，且作用力的大小相等方向相反。由電荷q所產生的電場強度為：
（1）
試驗電荷q0在距電荷q的距離為r的點上受到的電場力為：
（2）
兩式中，ε0為真空中的介電常數，r為距離點電荷q的徑向距離。根據式（1）可知，真空中的介電常數ε0表征了孤立電荷q在給定的距離r上產生的電場強度的大小。如果將式（1）中的真空條件換為某種電介質，則同樣的孤立電荷q所產生的電場強度將可表示為：
（3）
式中，ε為這種電介質的介電常數。在實際應用中，人們通常將真空中的介電常數ε0作為一個參照，而將電介質的介電常數ε與ε0的比值定義成為一個無量綱的相對介電常數εr，如式（4）所示：
（4）
研究中，沒有特殊說明下，一般所指的電介質介電常數均是相對介電常數。
（二）介電常數的測量
介電常數，又稱電容率，可通過測量平行板電容器的電容來計算介電常數，圖1為填充有電介質的平板電容器在外加電場情況下的示意圖。電容器的電容量與極板尺寸及其間電介質的介電性質有關。當電容器內充滿介電常數為ε的均勻電介質時，其電容量可表示為：
（5）
式中，S表示電容器單極板的面積，d表示兩個極板之間的間距，ε0=8.85×10-12 F/m表示真空介電常數，εr表示電介質相對介電常數。C0為無電介質時電容器的電容，根據式（5），通過測量含有電介質時電容器的電容C的方法，可以得到該電介質的相對介電常數εr，表達式為：
（6）
由式（5）和（6）可以看出，當一個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，電容內的電介質的介電常數僅與測得的電容有關，可通過測量電容值進行表征。
圖1 平行板電容器
（三）電介質的極化
置于電場中的電介質，沿電場方向產生偶極矩，在電介質表面產生束縛電荷的現象稱為電介質的極化現象。電介質分子極化形式大約可分為下列三類：
一是電子位移式極化：在電場的作用下，分子中的正負電荷中心發生相對位移，引起分子的正負電荷中心不再重合，在電介質內部形成一個內電場。
二是離子式極化：這是在離子構成的電介質中，正負離子在有限范圍內產生彈性位移而引起極化。
三是偶極式極化：在電場作用下，原來排列雜亂無章的分子取向趨于一致，而對外表現場強不為零，這種極化也叫取向極化。
物質在外電場的作用下，電子位移極化和取向極化都可能發生，只不過在不同的情況下二者的強度不一樣。頻率較低時，取向極化能充分完成，因取向極化產生的場強遠大于電子位移極化產生的場強，這時一般只考慮取向極化的影響。介電常數的大小只與物質的種類有關，不同物質介電常數差別較大，如水的介電常數遠大于油的介電常數。隨著外加電場頻率的升高，取向極化作用逐漸減弱，介質總的極化強度減弱，因此介質的介電常數ε將隨頻率升高而減小。
（四）在潤滑油中的應用原理
潤滑油是一種復雜的混合物，可以看作是弱極性液體電介質，介電常數大約為2.0左右。在潤滑油介質中起主要作用的是電子位移式極化和取向極化。介電常數法也稱電容法，是將潤滑油及其中的污染物作為電介質，其場強分布如圖3所示。圖中E0為真空中電源電壓在極板間產生的場強；E1為介質偶極子產生的反向場強；E2為油的雜質在電場中激發的反向場強；E為合成場強（E=E0-E1-E2）。由式（3）、（4）、（5）可得此時電容內電介質的介電常數ε為：
（7）
由式（7）可以看出，在電場存在的情況下，平板電容間充滿潤滑油，極化分子的偶極矩沿電場方向排列，產生了一個附加電場，與原來的電場方向相反，削弱了原電場，介質中的極化成分越多，使得潤滑油的介電常數就越大，表現為電容增大，電容增大的倍數正是此時該介質的相對介電常數。由于平行板電容器的電容C跟介電常量ε成正比，通過測量電容的變化就可以反映潤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強分布
當以潤滑油作為電介質進入平行板電容器極板間進行檢測時，被氧化的潤滑油，其分子極性會發生變化，即E1將增大；被污染的潤滑油，其純凈度會發生變化，如：油質進水會產生H+和OH-離子、有機酸會產生H+和RCOO-離子、金屬顆粒會產生自由電子等都會使E2明顯增大，從而使合成場強E減小，使油質的介電常數顯著的增加。隨著氧化產物和熱降解產物的積累，外來污染物的不斷增加，油中極化分子也不斷增多，這樣會導致潤滑油的介電常數發生變化；同時，由于摩擦和磨損，磨損的金屬粒子和其它導電性強的化合物也會使潤滑油的介電常數發生變化。潤滑油介質的極化成分的質量分數就直接影響到其介電常數的大小。因此，可以通過監測潤滑油的介電常數來評價潤滑油的性能。
二、在潤滑油性能檢測中的研究
（一）含水檢測
水的介電常數為80左右，油的介電常數為2左右，如果油中混入少量水分，會直接引起油的介電常數發生明顯變化，所以介電常數在潤滑油性能檢測中的一項主要作用是評價油品含水情況。
有研究表明，利用電容式傳感器監測潤滑油污染程度與污染物種類及其含量的變化過程中，隨著含水量的增大，潤滑油的介電常數呈上升趨勢。當含水量小于2.0%時，不同溫度下潤滑油的介電常數與含水量基本上呈現線性增長關系；當潤滑油溫度升高時，介電常數增大。當2.0%<含水量<3.5~4%時，隨著溫度升高，介電常數隨含水量的變化趨勢逐漸變緩。當含水量大于4.0%時，潤滑油的介電常數隨著溫度的升高反而降低。
在含水潤滑油介電常數的研究中，可以通過設計合理的高精度電容傳感器，測量不同潤滑油在不同含水量條件下的介電常數，再通過數學分析方法，擬合出每種油品的含水量與介電常數關系曲線，實現數學方法預測油品含水量變化情況，表征油品污染程度。該方法的優點是可以通過油品的介電常數判斷油品的含水量，免去傳統含水量測量的復雜過程和高昂花費，具備簡單、快捷的特點，在一定范圍內，測量值具有可靠性；該方法的不足之處在于不同油品或同種油品不同批號的含水量與介電常數函數關系式均不統一，針對每個樣品要進行一次多點數據采集與擬合，增加了大量的工作量。
（二）顆粒檢測
發動機潤滑油在長時間使用后，油中會混入一定量的積炭和金屬磨屑，影響潤滑油的介電常數，改變潤滑油污染程度。利用介電常數變化，監測潤滑油中碳和金屬磁性顆粒含量情況的研究也是近年來介電常數與潤滑油性能評定研究的一個熱點方向。碳和金屬顆粒是良性導體，當潤滑油中含有這些顆粒時，介電常數很大，在外電場作用下，這兩種物質均會產生與外電場相反的電場，進而影響潤滑油的介電常數。有研究表明，隨著碳顆粒和金屬磁性顆粒含量的增大，電容的測量值不斷上升，潤滑油的介電常數明顯呈上升趨勢，與含量幾乎成線性關系。
（三）酸值檢測
發動機在運行過程中，潤滑油中的部分碳氫化合物分子被氧化生成酸，其中的添加劑也被逐漸消耗，使得潤滑油中的有機酸含量增加；此外，燃料燃燒的產物亦會滲入其中，使油中的無機酸增加。這樣最終會導致潤滑油的總酸值升高，加重對發動機的腐蝕，不利于其正常工作。潤滑油中酸含量增加，在外電場作用下，酸中的H+和RCOO-離子會發生離子極化，形成內電場抵消外電場強度，從而使潤滑油的介電常數增加。
潤滑油中水分含量、碳顆粒和鐵磨粒含量以及總酸值的增加，都會導致潤滑油介電常數的增加，其中對介電常數影響最大的是水含量。由于這3個理化指標是評價潤滑油品質的主要指標，因此，潤滑油的介電常數可以作為衡量其劣化程度的指標，可以通過電容式傳感器監測潤滑油理化性能，來判斷潤滑油是否失效，進一步確定更換潤滑油的最佳時機。
三、介電常數在潤滑油分水性能評定中的拓展研究方向
通過電容法可以得到潤滑油的介電常數，介電常數的變化表征了潤滑油含水情況，當潤滑油的含水情況發生變化時，必將引起介電常數發生變化。目前利用介電常數評定潤滑油性能的研究多數集中在測定潤滑油在一定時期或狀態下的含水情況，用來監測油品的老化或變質程度。從某種角度上說這是油品靜態含水量監測，此時的含水量變化較小，表征的是潤滑油在此階段的含水情況。
潤滑油的抗乳化性是用來表征潤滑油混入水后，對水的分離能力。國際上通用的潤滑油抗乳化性評定方法為美國的ASTM D1401（相當于我國的GB/T 7305）和英國的BS 2000-19（相當于我國的SH/T 0191）標準，其方法均是通過測量達到標準要求的油水分離體積所用的時間來表征潤滑油的抗乳化性。在潤滑油實際使用中發現，油品的抗乳化性滿足標準要求，但潤滑油中的含水量還是能夠造成機械設備損壞。現用的潤滑油抗乳化性評定方法用來表征潤滑油分水性能還存在一定的不足，其僅能通過油水分離時間來表征抗乳化性能優劣，但不能顯示分水后油層的含水情況。如果將潤滑油的抗乳化性評定方法與分水后油層含水量測定結合起來，將能更全面準確地表征潤滑油的分水性能。
利用含水量引起的介電常數變化的特點，結合潤滑油抗乳化性評定方法，可以利用介電常數來表征潤滑油分水的動態變化過程。評定潤滑油的抗乳化性，就是評定潤滑油分水能力，其測量過程就是分水過程。將介電常數引入到潤滑油分水性能評定中，在油水分離過程中，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，能夠實現抗乳化性與含水量的同步測量。俄羅斯汽輪機油綜合鑒定法中，對汽輪機油抗乳化性評定方法就采用了介電常數法。其要求在室溫（18~24℃）條件下進行油水分離，這種情況致使油品完成油水分離時間較長；并且試驗停止條件限制為三次測得電容值差不大于0.1pF，如果油品的分水性能較差，在室溫下分水會很慢，敏感的電容傳感器很難在短時間內達到0.1pF的結束標準。俄羅斯的汽輪機油抗乳化性評定法中僅用電容變化表征破乳化時間，并沒有表征含水量。
如果能將介電常數法與ASTM D1401和BS 2000-19相結合，開發能夠用于標準ASTM D1401和BS 2000-19中的介電常數測定設備，既可以解決分水性差的油品在室溫下分水慢導致試驗時間長的問題，又可以通過測量不同油品分水后油層的電容值來表征油層的相對含水量大小，實現潤滑油抗乳化性測定與含水量的范圍劃定。該研究將為介電常數在潤滑油性能評定中的應用拓展新的方向。
四、結束語
介電常數作為評價潤滑油性能的指標，已得到廣泛認可與應用。將其與現用的潤滑油性能評價標準方法相結合，研究具有符合功能的潤滑油性能評定技術，將會成為潤滑油性能評定領域一個新的研究熱點。
