介電常數(shù)在潤滑油性能評定中的研究

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

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

為能及時、方便、快捷、準(zhǔn)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(xiàn)代技術(shù)。近些年，電學(xué)方法、鐵譜技術(shù)與光譜分析在潤滑油性能檢測與實(shí)時監(jiān)測中得到廣泛的研究與應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室離線檢測的不足。介電常數(shù)法是應(yīng)用于潤滑油性能評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，可為其在潤滑油性能評定領(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，真空中一個孤立的電荷q會在其周圍產(chǎn)生電場E，當(dāng)另外的一個試驗(yàn)電荷q₀進(jìn)入到該電場中時會受到電場力的作用。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無量綱的相對介電常數(shù)ε_r，如式（4）所示：

                              （4）

研究中，沒有特殊說明下，一般所指的電介質(zhì)介電常數(shù)均是相對介電常數(shù)。

（二）介電常數(shù)的測量

介電常數(shù)，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(shù)，圖1為填充有電介質(zhì)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(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，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(shù)，ε_r表示電介質(zhì)相對介電常數(shù)。C₀為無電介質(zhì)時電容器的電容，根據(jù)式（5），通過測量含有電介質(zhì)時電容器的電容C的方法，可以得到該電介質(zhì)的相對介電常數(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)僅與測得的電容有關(guān)，可通過測量電容值進(jìn)行表征。

圖1 平行板電容器

（三）電介質(zhì)的極化

置于電場中的電介質(zhì)，沿電場方向產(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：在電場的作用下，分子中的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移，引起分子的正負(fù)電荷中心不再重合，在電介質(zhì)內(nèi)部形成一個內(nèi)電場。

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(xiàn)場強(qiáng)不為零，這種極化也叫取向極化。

物質(zhì)在外電場的作用下，電子位移極化和取向極化都可能發(fā)生，只不過在不同的情況下二者的強(qiáng)度不一樣。頻率較低時，取向極化能充分完成，因取向極化產(chǎn)生的場強(qiáng)遠(yuǎn)大于電子位移極化產(chǎn)生的場強(qiáng)，這時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）在潤滑油中的應(yīng)用原理

潤滑油是一種復(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，是將潤滑油及其中的污染物作為電介質(zhì)，其場強(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)生的場強(qiáng)；E₁為介質(zhì)偶極子產(chǎn)生的反向場強(qiáng)；E₂為油的雜質(zhì)在電場中激發(fā)的反向場強(qiáng)；E為合成場強(qiáng)（E=E₀-E₁-E₂）。由式（3）、（4）、（5）可得此時電容內(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(chǎn)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(zhì)中的極化成分越多，使得潤滑油的介電常數(shù)就越大，表現(xiàn)為電容增大，電容增大的倍數(shù)正是此時該介質(zhì)的相對介電常數(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(qiáng)分布

當(dāng)以潤滑油作為電介質(zhì)進(jìn)入平行板電容器極板間進(jìn)行檢測時，被氧化的潤滑油，其分子極性會發(fā)生變化，即E₁將增大；被污染的潤滑油，其純凈度會發(fā)生變化，如：油質(zhì)進(jìn)水會產(chǎn)生H⁺和OH^-離子、有機(jī)酸會產(chǎn)生H⁺和RCOO^-離子、金屬顆粒會產(chǎn)生自由電子等都會使E₂明顯增大，從而使合成場強(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，外來污染物的不斷增加，油中極化分子也不斷增多，這樣會導(dǎo)致潤滑油的介電常數(shù)發(fā)生變化；同時，由于摩擦和磨損，磨損的金屬粒子和其它導(dǎo)電性強(qiáng)的化合物也會使?jié)櫥偷慕殡姵?shù)發(fā)生變化。潤滑油介質(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，可以通過監(jiān)測潤滑油的介電常數(shù)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(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(jiān)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(shù)呈上升趨勢。當(dāng)含水量小于2.0%時，不同溫度下潤滑油的介電常數(shù)與含水量基本上呈現(xiàn)線性增長關(guān)系；當(dāng)潤滑油溫度升高時，介電常數(shù)增大。當(dāng)2.0%<含水量<3.5~4%時，隨著溫度升高，介電常數(shù)隨含水量的變化趨勢逐漸變緩。當(dāng)含水量大于4.0%時，潤滑油的介電常數(shù)隨著溫度的升高反而降低。

在含水潤滑油介電常數(shù)的研究中，可以通過設(shè)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(shù)，再通過數(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)含水量測量的復(fù)雜過程和高昂花費(fèi)，具備簡單、快捷的特點(diǎn)，在一定范圍內(nèi)，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(shù)函數(shù)關(guān)系式均不統(tǒng)一，針對每個樣品要進(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

發(fā)動機(jī)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(shù)，改變潤滑油污染程度。利用介電常數(shù)變化，監(jiān)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(shù)與潤滑油性能評定研究的一個熱點(diǎn)方向。碳和金屬顆粒是良性導(dǎo)體，當(dāng)潤滑油中含有這些顆粒時，介電常數(shù)很大，在外電場作用下，這兩種物質(zhì)均會產(chǎn)生與外電場相反的電場，進(jìn)而影響潤滑油的介電常數(shù)。有研究表明，隨著碳顆粒和金屬磁性顆粒含量的增大，電容的測量值不斷上升，潤滑油的介電常數(shù)明顯呈上升趨勢，與含量幾乎成線性關(guān)系。

（三）酸值檢測

發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中，潤滑油中的部分碳?xì)浠衔锓肿颖谎趸伤?，其中的添加劑也被逐漸消耗，使得潤滑油中的有機(jī)酸含量增加；此外，燃料燃燒的產(chǎn)物亦會滲入其中，使油中的無機(jī)酸增加。這樣最終會導(dǎo)致潤滑油的總酸值升高，加重對發(fā)動機(jī)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(fā)生離子極化，形成內(nèi)電場抵消外電場強(qiáng)度，從而使?jié)櫥偷慕殡姵?shù)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(dǎo)致潤滑油介電常數(shù)的增加，其中對介電常數(shù)影響最大的是水含量。由于這3個理化指標(biāo)是評價潤滑油品質(zhì)的主要指標(biāo)，因此，潤滑油的介電常數(shù)可以作為衡量其劣化程度的指標(biāo)，可以通過電容式傳感器監(jiān)測潤滑油理化性能，來判斷潤滑油是否失效，進(jìn)一步確定更換潤滑油的最佳時機(jī)。

三、介電常數(shù)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(shù)，介電常數(shù)的變化表征了潤滑油含水情況，當(dāng)潤滑油的含水情況發(fā)生變化時，必將引起介電常數(shù)發(fā)生變化。目前利用介電常數(shù)評定潤滑油性能的研究多數(shù)集中在測定潤滑油在一定時期或狀態(tài)下的含水情況，用來監(jiān)測油品的老化或變質(zhì)程度。從某種角度上說這是油品靜態(tài)含水量監(jiān)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(dāng)于我國的GB/T 7305）和英國的BS 2000-19（相當(dāng)于我國的SH/T 0191）標(biāo)準(zhǔn)，其方法均是通過測量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，油品的抗乳化性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但潤滑油中的含水量還是能夠造成機(jī)械設(shè)備損壞?，F(xiàn)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(yōu)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(jié)合起來，將能更全面準(zhǔn)確地表征潤滑油的分水性能。

利用含水量引起的介電常數(shù)變化的特點(diǎn)，結(jié)合潤滑油抗乳化性評定方法，可以利用介電常數(shù)來表征潤滑油分水的動態(tài)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(shù)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?qū)崿F(xiàn)抗乳化性與含水量的同步測量。俄羅斯汽輪機(jī)油綜合鑒定法中，對汽輪機(jī)油抗乳化性評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間較長；并且試驗(yàn)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(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(shù)法與ASTM D1401和BS 2000-19相結(jié)合，開發(fā)能夠用于標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1401和BS 2000-19中的介電常數(shù)測定設(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(shí)現(xiàn)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(shù)在潤滑油性能評定中的應(yīng)用拓展新的方向。

四、結(jié)束語

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