油基超滑的分子作用规律及超滑机理研究

The development of superlubricity (coefficient of friction μ on the order of 0.001) is of great importance to reduce energy consumptions and materials losses due to the friction. In prior work，certain 1,3-diketone lubricants have been studied, which can realize an ultralow coefficient of friction (≈0.005) on normal steel surfaces under high loads and ambient conditions. However this oil-based superlubricity needs a deeper and systematical study on the lubrication mechanism at the microscopic scale. Based on the theoretical model of ordered thin films, this proposal investigates the molecular effect including interactions between lubricants and solid surfaces, intermolecular interactions of lubricants and the shear effect of lubricant fluids. Combined with the analysis of lubricant film thickness and molecular alignment, the correlation between the tribological performance and microscopic properties of lubricant films is discussed. In the end, the lubrication mechanism is discovered at the molecular scale. This study is aimed to enrich the theory of oil-based superlubricity, and also provide the inspiration for the molecular design of their lubricant materials.

发展超滑技术（摩擦系数μ在0.001量级）对于解决摩擦所导致的能量耗散和材料磨损问题具有非常重要的意义。申请人前期研究了一种应用于普通钢铁表面的1,3-二酮润滑油，发现其在大气环境和较高负载下可以实现摩擦系数为0.005的超滑性能，具有非常好的应用前景。然而，此油基超滑在分子层面上的作用规律和超滑机理需要进一步深入、系统的研究。本项目基于薄膜润滑的理论模型，通过设计多种润滑剂分子结构和摩擦测试条件，研究润滑剂与固体表面相互作用、分子间相互作用以及流体剪切作用对超滑的影响，探索油基超滑的分子作用规律；再结合润滑膜厚度和润滑剂分子有序性的微观分析，从分子尺度揭示超滑机理。本项目的研究旨在丰富油基超滑的理论体系，并为油基超滑材料的分子设计提供思路。

超滑技术被认为是解决摩擦以及摩擦所导致的能耗、磨损、振动、温升等问题的有效手段，特别是油基超滑在精密仪表、微型电机等精密润滑领域具有巨大的应用前景。1,3-二酮是一种可以在在大气环境中宏观工况下的普通轴承钢表面实现超低摩擦系数（μ<0.01）的新型合成润滑油。本项目以1,3-二酮为研究对象，研究了其分子作用规律、超滑机理和超滑稳定性，得到以下主要结论：（1）1,3-二酮通过与铁的摩擦化学反应降低了接触压，并形成类似“梳齿结构”的啮合表面，消除了固体间的直接接触；（2）1,3-二酮在钢表面通过化学键形成牢固的吸附层，有利于分子取向的形成；（3）1,3-二酮具有类似液晶的棒状分子结构，分子间作用力较强，在强剪切下可以形成分子的有序排列以降低粘性阻力；（4）基于上述效应的综合作用，经油膜厚度精确测量的验证，1,3-二酮在薄膜润滑状态下实现了超滑；（5）在高表面张力和强化学吸附的作用下，1,3-二酮具有很好的抗流散性和超滑稳定性，非常适用于采取微量润滑和终身润滑策略的精密润滑领域。此外，基于上述所总结的超滑规律和超滑机理，本项目针对1,3-二酮选材多样性的拓展，以及边界润滑条件下的性能提升也进行了初步地探讨。