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蘭州化物(wù)所碳基摩擦膜形成機制及性能(néng)調控研究獲新進展
時(shí)間(jiān)：2023-07-21

潤滑油在摩擦過程中，因金(jīn)屬基底的催化作(zuò)用發生脫氫聚合成高分子無序積碳，高分子無序積碳深度脫氫裂解産生有序石墨化碳。這(zhè)一(yī)變化過程影響了(le)潤滑油的潤滑性能(néng)。因此，在明(míng)确催化反應機理的基礎上(shàng)，利用潤滑添加劑在摩擦界面間(jiān)的化學反應原位調控碳基摩擦膜生長(cháng)，對提升潤滑油潤滑性能(néng)意義重大。

　　近日，中國(guó)科學院蘭州化學物(wù)理研究所先進潤滑與防護材料研究發展中心馮大鵬研究員(yuán)團隊從(cóng)潤滑油分子的界面行(xíng)為(wèi)出發，研究了(le)分子結構對潤滑劑吸附行(xíng)為(wèi)的影響規律。

　　研究人(rén)員(yuán)通(tōng)過試驗與密度泛函理論（DFT）計算表明(míng)，高吸附能(néng)和(hé)高表面能(néng)的潤滑劑分子更易吸附于基底發生摩擦化學反應，與潤滑性能(néng)的正相關性使其表現出低(dī)摩擦磨損。相關成果發表在Friction（2023, 11(6): 911–926, DOI: 10.1007/s40544-022-0630-9）上(shàng)，并入選當期封面文章(zhāng)(Front Cover Article)。在此基礎上(shàng)，研究人(rén)員(yuán)選擇極性癸二酸二辛酯（DOS）分子，在其強吸附作(zuò)用下(xià)，DOS進一(yī)步與基底發生反應，分子中C-H及叔碳處C-C鍵的斷裂證實了(le)金(jīn)屬基底催化過程中脫氫斷鍵的化學反應過程。相關成果發表在Tribology International(2021,155:106745,DOI:10.1016/j.triboint.2020.106745）上(shàng)。

　　基于上(shàng)述不同體系均産生了(le)碳基物(wù)質包覆納米級Fe3O4顆粒磨屑的相同研究結果，研究人(rén)員(yuán)通(tōng)過Arrhenius公式考察了(le)熱(rè)-力耦合作(zuò)用下(xià)潤滑油活化能(néng)的變化，證實了(le)Fe3O4顆粒的熱(rè)催化和(hé)剪切的協同作(zuò)用降低(dī)了(le)反應所需活化能(néng)，從(cóng)而促進了(le)體系性能(néng)的提升。相關成果發表在Tribology International(2022,165:107289,DOI: 10.1016/j.triboint.2021.107289）上(shàng)。

圖1.分子結構對潤滑劑界面行(xíng)為(wèi)與摩擦學性能(néng)的作(zuò)用規律

圖2.Friction封面

　　基于原位摩擦催化設計理念，研究人(rén)員(yuán)将超薄2D-MOF納米片添加至500N中，Ni-MOF與基礎油分子和(hé)Fe基體發生催化化學反應，形成由鐵氧化物(wù)、碳基物(wù)質和(hé)氮基物(wù)質組成的具有混凝土(tǔ)結構的碳基摩擦膜，使摩擦系數(shù)和(hé)磨損分别降低(dī)33.2%和(hé)98.7%。相關成果發表在Materials & Design(2022,223:111251,DOI: 10.1016/j.matdes.2022.111251）與《中國(guó)科學:技術(shù)科學》(2022, 53(3):1674-7259,DOI: 10.1360/SST-2022-0162)上(shàng)。

圖3.Ni-MOF納米片的形貌與性能(néng)

　　為(wèi)促使界面間(jiān)碳基摩擦膜的快(kuài)速形成，研究人(rén)員(yuán)選取吸附能(néng)和(hé)表面能(néng)較高的活性碳源小分子環丙甲酸（CPCa）與金(jīn)屬粒子複合引入基礎油，CPCa在熱(rè)催化-力剪切作(zuò)用下(xià)快(kuài)速發生脫氫斷鍵向石墨化轉變，生成了(le)含有石墨烯的碳基摩擦膜。同時(shí)，石墨化産物(wù)促進了(le)潤滑體系的可(kě)持續潤滑效應，提升了(le)體系的潤滑壽命。相關成果發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering(2023, 11(6): 2238-2248, DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c05639）上(shàng),并入選當期補充封面文章(zhāng)（Supplementary Cover Article）。

圖4.摩擦催化原位形成石墨烯潤滑體系的摩擦催化機制與可(kě)持續潤滑性能(néng)

圖5.ACS Sustainable Chemistry & Engineering補充封面

　　蘭州化物(wù)所于鴻翔博士為(wèi)論文第一(yī)作(zuò)者，馮大鵬研究員(yuán)和(hé)喬旦副研究員(yuán)為(wèi)通(tōng)訊作(zuò)者。