低共熔溶剂固-液相变调控摩擦界面损伤机理研究

The development of new materials with low cost, non-pollution, easy maintenance, high load carrying capacity, low friction coefficient as well as high wear resistance has been a new frontier in the field of tribology. As a new type of green solvents with tunable melting point, however the Deep Eutectic Solvents (DESs) are studying much less. This project is aiming to realize the solid-liquid phase transformation of choline chloride DESs by tuning its melting point upon the different chemical composition, consequently relieving the damage of the tribo-pairs. A series of EDSs with different melting point will be prepared by tuning the composition and proportion of hydrogen bond donor, then their tribological performance will be explored by changing the relative displacement of tribological tests. The physical and chemical properties of the tribo-interface under different stages of tribological tests will be explored to clarify the tribo-chemistry evolution and discover the mechanism of solid-liquid phase transformation during the tribological tests. The protective mechanism of DESs on contact wear or local fatigue will be explored by analyzing Running Condition Fretting Maps (RCFM) and Material Response Fretting Maps (MRFM). The lubricating mechanism of the DESs at the molecular level will be uncovered by combing the molecular dynamics simulation results with the tribo-chemistry evolution. This project not only has the scientific value of enriching and developing the basic theory of tribology, but also has practical significance for exploring new lubricant materials.

发展具有低成本、无污染、维护保养简单且具有高承载和低摩擦磨损性能的新型润滑材料是当前摩擦学领域前沿研究方向之一。低共熔溶剂作为熔点可以调节的新型绿色溶剂，是新型润滑材料的发展方向尚缺乏深入研究。本研究通过调控氯化胆碱低共熔溶剂组成和配比，从而控制其熔点实现摩擦界面固-液相变降低摩擦配副摩擦磨损。通过对氢键供体选择及比例控制，构筑一系列不同熔点的低共熔溶剂；通过改变相对位移幅值，研究在微动至滑动等不同运行状态下摩擦不同发展阶段的摩擦界面物理化学特征，阐明不同运行工况下的摩擦化学演变规律及固-液相变机制；基于运行工况微动图和材料响应微动图分析，研究低共熔溶剂对局部磨损或局部疲劳损伤的减缓机理；结合分子动力学模拟，从分子层面揭示低共熔溶剂在摩擦热力学驱动下形成低剪切相的润滑机制。本研究不仅具有丰富和发展摩擦学基础理论的科学价值，而且对探索新型润滑材料具有实际意义。

发展具有低成本、无污染、维护保养简单且具有高承载和低摩擦磨损性能的新型润滑材料是当前摩擦学领域前沿研究方向之一。本项目针对低共熔溶剂成本低、绿色环保以及熔点可控的特点开展了低共熔溶剂在微动至滑动等不同运行状态下的摩擦测试，探讨了摩擦不同发展阶段的摩擦界面物理化学特征，阐明不同运行工况下的摩擦化学演变规律及固-液相变机制；研究结果表明在不存在微滑时，固液相变对微动摩擦影响不大，而在存在部分微滑时，固态低共熔溶剂初始摩擦系数较低，随着摩擦过程中固液相的转变，摩擦系数逐渐升高，最终摩擦系数与液体润滑剂几乎一致。在滑动摩擦过程中，即使处于0.5N，0.1Hz工况下，依旧可以发生固液相变，进而降低摩擦磨损，但在高载荷（>40N）下固态低共熔溶剂容易被剪切至接触区之外，导致高摩擦高磨损。氯化胆碱-硫脲低共熔溶剂在摩擦过程中与摩擦副反应生成润滑膜进而降低摩擦磨损，但在较高的接触应力下润滑膜容易剥落，通过数值模拟发现仅当接触区的应力低于临界值时，反应膜可以稳定存在，因此球盘摩擦过程中常伴随跑和阶段；进一步研究表明通过固液复合或者新的材料体系，可实现低共熔溶剂的高承载低摩擦，如通过调控固液界面的浸润性和产生摩擦化学反应膜，WDLC在力学性能较差的情况下依旧可以获得优异的摩擦学性能，而环氧树脂涂层基于其表面与氯化胆碱-尿素之间弱的界面作用，实现40N大载荷下的低摩擦磨损。不仅如此，将相变材料填充至环氧树脂中，可改善相变材料在滑动中的承载性能，并促使其在摩擦过程中实现液体的缓释，进而在大气及真空环境下保持较低的摩擦磨损；此外，通过开发新型天然低共熔溶溶剂，如高黏度的甜菜碱糖类天然低共熔溶剂和容易产生化学吸附的薄荷醇脂肪酸类均可实现优异的承载性能和减摩抗磨效果。本项目的研究不仅推广了低共熔溶剂的应用范围，丰富了跑和阶段及固液复合稳定阶段的摩擦学理论，同时对高承载低摩擦材料的设计提供了新的思路。