板带钢作为精密加工、汽车制造、航空航天等领域的重要材料,近年来呈现向零表面缺陷、高尺寸精度等方向发展,因而对板带钢热轧不可或缺的工艺润滑技术提出了更高要求。钢板在热加工过程的表面氧化伴生的压氧缺陷和材料损耗,也严重制约着板带钢产品的高质量发展。而通过化学合成等手段得到兼具不同纳米材料优异特性的纳米复合粒子,在此基础上制备纳米复合流体并应用于热轧工艺润滑,能够为高性能润滑剂的开发提供新途径。同时,基于纳米粒子优异的成膜性和穿透阻隔性,借助其在热轧带钢表面的铺展实现对金属表面氧化的抑制,甚至扩散到基体改善轧后带钢产品表面性能,是极具研究意义和应用前景的科学问题。为此,本文开展了纳米复合流体协同润滑机理研究,并阐明了其改善热轧带钢表面质量、抑制金属高温氧化以及向带钢基体扩散的“表面效应”相关作用机制。首先,采用溶剂热法制备了水基MoS2-Al2O3纳米复合流体作为带钢热轧润滑剂,相比于单一的MoS2和Al2O3纳米流体具有更佳的分散稳定性、润湿性和综合摩擦学性能。在最优浓度2wt.%时其油膜强度和平均摩擦系数为697 N和0.073,这归功于摩擦过程中纳米复合流体与金属表面间的界面物理和摩擦化学反应,包括由物理吸附膜和化学反应层构成的双层摩擦膜。其中,位于上部的物理吸附膜包含细小Al2O3、MoS2晶体和无定形态物质,底部的化学反应层主要由Fe3O4、Fe2O3和Fe2（SO4）3构成,摩擦膜的平均厚度为23 nm。分子动力学模拟表明在钢/钢摩擦副摩擦过程中,MoS2-A12O3纳米粒子中球形Al2O3的运动模式为91%的滚动运动和9%的滑动运动,同时MoS2纳米片的层间滑移将72.3%作用于金属表面的摩擦转化为片层内摩擦。MoS2中S原子向A12O3表面的扩散能够促进其滚动运动并阻止其嵌入到较软Fe基体中,而A12O3的滚动运动反过来强化了 MoS2的层间滑动。上述多重因素的共同作用使纳米复合流体呈现出优异的协同润滑作用。随后,将MoS2-Al2O3纳米复合流体应用于板带钢热轧工艺润滑,使各道次平均轧制力、轧辊回弹和轧后表面粗糙度分别降低约26.9%、35.7%和25.9%。MoS2-Al2O3纳米粒子在高温带钢表面分解和部分氧化为MoS2、Al2O3和MoO3,这些粒子通过滚珠轴承效应、层间滑移机制、抛光机制和自修复作用降低了热轧过程的摩擦力和磨损量。在实现润滑作用的同时,MoS2-Al2O3纳米流体与高温带钢表面之间的物质和能量传递诱发了一系列微观结构演变:带钢表层基体及氧化相的晶粒尺寸明显减小,局部取向差和变形晶粒比例显著降低,表明轧后带钢表面残余应力和变形降低;高化学惰性的Al2O3主要沉积和吸附在热轧带钢表面,同时MoS2沿厚度方向扩散形成了 FeS和FeMo4S6扩散相。受热轧及后续冷却过程的温度梯度和热应力等因素的影响,扩散相中出现了应力集中现象,晶格发生偏转、滑移引起了位错的形成。进一步,通过量子化学计算中的过渡态搜索,明确了 MoS2中的Mo和S原子分别通过置换扩散和间隙扩散向Fe晶格中迁移,形成FeS和FeMo4S6固溶体,两者扩散的势垒分别为0.84 eV和0.54 eV。随后,基于菲克扩散定律和Einstein’s扩散方程,综合采用分子动力学模拟和响应曲面法,建立了纳米复合流体中Mo和S原子向热轧带钢表面扩散的深度dc随热轧温度T、界面压强p和扩散时间t变化的多元非线性数学模型dc=f（T,p,t）。Al2O3粒子在热轧带钢表面形成了厚度约193 nm的沉积层。由于Al2O3粒子对氧化性气体分子的物理吸附作用和穿透阻隔性,O2和H2O分子在1300℃下扩散最终态的均方位移MSD分别降低了 20.7%和43.7%。恒温氧化实验表明,Al2O3粒子的沉积使氧化反应的活化能Qo从123.6kJ·mol-1提高至141.8 kJ·mol-1。因此,带钢热轧过程的高温氧化得到了显著抑制,氧化层平均厚度由60.4 μm降低至39.5 μm且高价氧化物Fe2O3所占比例大幅降低。最后,轧后带钢表面由MoS2-Al2O3纳米复合流体诱导的致密氧化层和纳米扩散层使其在NaCl溶液中的电化学腐蚀速率降低了 91.2%。腐蚀机理为Cl-主导的吸氧腐蚀,腐蚀产物主要为Fe3O4、Fe2O3和FeOOH。通过分子动力学分析H2O、Cl-、H3O+和OH-四种腐蚀介质粒子在晶体表面的吸附和扩散行为,发现Al2O3晶体对腐蚀粒子具有最强的吸附作用,同时Al2O3和FeMo4S6晶体对其扩散行为有较强阻隔作用。另外,轧后带钢表面缺陷的减少使腐蚀粒子向基体的迁移速率降低且避免了腐蚀电荷的局部集中分布,表层组织残余应力和变形的缓和也削弱了材料的点蚀敏感性,从而实现了耐蚀性强化。