面向润滑用的离子液体粘度数据估算研究

离子液体作为新型润滑剂，可克服传统润滑油不能在高温高压、高真空下使用的弊端，有望用于航天航空、军事、石油化工等苛刻场合。研究表明润滑剂粘度直接决定润滑性能优劣，即可通过粘度来设计、选择润滑用离子液体。然而，离子液体在高温高压以及含水分摩擦工况下的粘度数据极度匮乏、难以测定，利用热力学方法估算是最佳途径。但由于离子液体内部存在复杂的相互作用力，传统方法不再适用，缔合流体理论状态方程(SAFT)被认为是研究此类流体最有效的方法。本项目综合运用热力学、摩擦学等学科的理论和方法，结合SAFT方程和摩擦理论，建立常温常压到高温高压、不同湿度等摩擦工况下的离子液体粘度估算模型，从而为探索离子液体润滑性能与粘度物性的关系及离子液体的设计与应用提供理论依据，最终为降低苛刻条件下摩擦磨损的能耗作出贡献。

本项目背景为基于粘度对润滑用离子液体进行设计和选择，以摩擦系数与粘度的关联为目的，利用热力学模型建立的方法，采用缔合流体理论状态方程(SAFT)计算离子液体的粘度数据，根据摩擦学中摩擦系数与粘度存在着紧密关联的关系，通过摩擦实验测得的摩擦系数以获得高温高压下的粘度。对于常规离子液体，采用ePC-SAFT方程，并分别基于摩擦理论和自由体积理论计算其粘度，获得了粘度-温度、粘度-压力的模型。实验方面，进行不同摩擦工况下摩擦、磨损性质的研究：在宏观摩擦实验中（基于MPX-2000和四球摩擦机），对液体润滑的影响因素进行了研究。研究了表面粗糙度、表面亲疏水性、摩擦化学作用对摩擦系数的影响。摩擦系数关联粘度的主要影响为表面接触形式，必须保证在流体动压润滑方式下，才能通过摩擦系数得粘到度。在流体动压润滑下，摩擦系数随着粘度的增加而增加，同时表面滑移、固液反应程度对摩擦系数及磨损有重要影响。高温下含卤素的离子液体分解产生的酸性产物会造成严重腐蚀，加剧磨损，同时摩擦系数也因表面粗糙度的增加而增加。为降低腐蚀，后期设计了系列含硼的季膦盐无卤素离子液体，由于其粘度较高且和固体表面结合强，显著降低了高温下的摩擦系数和磨损。为避免固体表面的机械齿合作用以实现流体动压润滑，进行实验纳米尺度的流体动压润滑下（基于AFM纳米摩擦），并成功采用液体粘度、固体-液体、固体-固体的分子间作用定量关联出纳米摩擦系数，为摩擦系数的影响因素分析进行了分子水平的解释。基于摩擦系数影响因素的理解，设计出含有TiO2(B)的介孔氧化钛膜，从而引入了纳米多孔结构及TiO2(B)，实现了更为疏水且粗糙度远远增加的介孔氧化钛膜的表面摩擦系数只有致密氧化钛膜的1/26。