无溶剂纳米类流体润滑材料的功能化设计及摩擦学机理研究

In recent years, great progress has been achieved in our country in the fields of high-ending equipment manufacturing, e.g. high speed trains and aircrafts. The working conditions of vast numbers of motion components are becoming more and more severe, and thus put forward higher and higher requirements with respect to the property and reliability of lubricants. In this work, we will graft ionic flexible molecules onto various kinds of nanoparticles, so that the nanoparticles exert fluidity without presence of solvents. Solvent-free nanofluids are intrinsic homogeneous systems combining advantages of both monodisperse nanocores and ionic flexible molecules in the shell layers. It is thus believed that solvent nanofluids provide a potential solution for solving lubrication problems of the high-ending equipment. Influence of core-shell structures of the nanofluids on their lubrication performance will be comprehensively investigated. Shear characteristics and load-carrying capabilities of adsorption films and tribofilms will be evaluated by using micro/nanotribology methodologies. Nanostructures and properties of the tribofilms will be thoroughly characterized using advanced techniques, based on which formation and function mechanisms of the tribofilms will be revealed. The output of this work will gain insight into tribo-physical and chemical actions of the nanofluids. Theories established will provide a solid basis for tailoring high-performance solvent-free nanofluid lubricants and guide their applications.

近年来，我国轨道交通和航空等多个高端装备制造领域快速发展，众多相关运动机构的服役工况变得愈加苛刻，因此对润滑剂的使用性能和可靠性提出了越来越高的要求。本研究拟在不同维度的纳米颗粒表面接枝离子型柔性长链分子，使其在无溶剂状态呈现类流体特性。无溶剂纳米类流体作为本质上的均相体系集单分散纳米颗粒和外壳离子型柔性分子的物化性质于一身，为解决高端装备的润滑难题提供了新思路。本选题系统研究无溶剂纳米类流体核-壳结构与润滑性能的构效关系，利用微/纳尺度摩擦学研究手段原位考察吸附膜和摩擦反应膜的剪切特性与承载能力，借助先进的表面分析技术定量研究摩擦反应膜的纳米结构与性能，深入揭示摩擦反应膜的形成机理与作用机制，获得摩擦界面物理化学作用调控机制和无溶剂纳米类流体润滑材料结构设计原则。预期研究结果可丰富纳米润滑材料摩擦学理论，指导无溶剂纳米类流体润滑材料的设计制备与使役。

近年来，我国轨道交通和航空等多个高端装备制造领域快速发展，众多相关运动机构的服役工况变得愈加苛刻，因此对润滑剂的使用性能和可靠性提出了越来越高的要求。本研究从分子设计的角度出发，制备了系列不同核-壳结构的纳米类流体，系统研究无溶剂纳米类流体核-壳结构与润滑性能的构效关系，利用微/纳尺度摩擦学研究手段原位考察吸附膜和摩擦反应膜的剪切特性与承载能力，借助先进的表面分析技术定量研究摩擦反应膜的纳米结构与性能，深入揭示摩擦反应膜的形成机理与作用机制，获得摩擦界面物理化学作用调控机制和无溶剂纳米类流体润滑材料结构设计原则。完成了预定目标。具体研究进展如下：（1）通过共价键和离子键接枝的方式合成了常规二氧化硅纳米类流体，考察了其作为润滑剂和添加剂在不同工况下的摩擦学性能及润滑机制。提出了纳米类流体物理吸附和摩擦化学作用协同促使有机-无机杂化边界膜生成的观点；（2）以具有抗磨特性的含磷硅烷偶联剂作为类流体内冠，合成了功能化的膦酸基二氧化硅类流体，详细考察了该类流体的理化性质和高温高载下的摩擦学性能，并与常规二氧化硅类流体进行了对比，深入研究了纳米类流体结构对润滑性能的影响，分析了界面摩擦化学，探讨了边界膜的形成和作用机制。（3）制备了系列外冠相同，内冠分子链长不同的二氧化硅纳米类流体，系统研究了分子链长对类流体理化性能、吸附性能、电响应性能及摩擦学性能的影响规律，考察了类流体减摩抗磨性能对外加电场的响应机制。（4）纳米核是影响类流体润滑性能的又一关键因素。本工作首先以一维碳材料为内核，合成了碳纳米管类流体，并与外壳结构一致的磺酸基二氧化硅纳米类流体进行对比，考察了纳米粒子结构对类流体摩擦学行为的影响规律。相关结果在APPLIED SURFACE SCIENCE、Chemical Engineering Journal和Composites Part B: Engineering等本领域知名期刊发表SCI论文17篇，授权国家发明专利7项。本项目研究成果可丰富纳米润滑材料摩擦学理论，指导无溶剂纳米类流体润滑材料的设计制备与使役。