基于三维重构的离子液体摩擦反应膜结构、性能与润滑机理研究

Moving surfaces in mechanical system being in good lubrication is necessary for the normal operation. High performance lubricants can ensure safe and efficient operation of machinery and equipment, while its potential environmental pollution cannot be ignored. Ionic liquids(ILs), as environmental friendly materials, is widely noticed by their tribological properties. This project uses the 3D analysis technique to characterize the sliding surfaces under lubrication with ILs as lubricating dditives. Focused ion beam (FIB) are used to get many cross-sections by continuous slicing wear scars. A series of images of cross- section morphologies and element distribution are acquired to carry out three-dimensional (3D) reconstruction on the scanning electron microscopy/energy-dispersive X-ray (SEM/EDX) . 3D structures and 3D elements of ILs tribo-films are thus obtained. Under boundary lubrication, the influence of ILs molecular structures, ambient temperatures and applied loads are considered on the tribological properties of ILs, as well as their roles on the formation of ILs tribo-films and the analysis of mechanical properties of ILs tribo-films. The lubrication mechanism of ILs is explored by investigating the relationship between structures, element distribution, mechanical properties of ILs tribo-films and tribological properties. This project will generate new insights on the tribological behavior of ILs under boundary lubrication, which can provide important scientific value for the selection and optimization design of environment-friendly lubricating materials.

机械系统正常运行需要接触的运动表面之间润滑状况良好。高性能润滑剂保证机械装备安全高效运行，但其潜在的环境污染不容忽视。离子液体作为环境友好材料，其摩擦学性能受到广泛关注。本项目采用三维表征分析技术针对离子液体作为润滑添加剂的滑动表面进行研究，使用FIB在摩擦磨损区域连续切片得到多个断面，对SEM/EDX上得到一系列断面形貌和元素分布的图像进行三维重构，得到离子液体摩擦反应膜的三维结构和三维空间元素分布。考察边界润滑条件下，分子结构、环境温度和应用载荷对离子液体摩擦学性能的影响，及其在形成离子液体摩擦反应膜过程中的作用，分析离子液体摩擦反应膜的力学性能。通过离子液体摩擦反应膜结构、元素分布信息和力学性能与摩擦学性能的联系探索离子液体的润滑机理，将对边界润滑状态下离子液体的摩擦学行为产生新见解，对环保型润滑材料的选材及优化设计具有重要的科学价值。

润滑材料二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)，多年来在机械系统零部件表面的润滑和防护方面发挥了巨大作用。由于环保要求日渐提高，ZDDP的广泛应用面临巨大挑战，寻找ZDDP替代产品势在必行。作为ZDDP替代品，首先必须符合环保要求，因此其分子结构应当具备低(无)金属-磷-硫特征，其次摩擦学性能满足诸多行业的要求。但目前尚未发现单一润滑材料能完全取代ZDDP。近年来被广泛研究的离子液体具有优异的摩擦学性能，而且分子结构调整可以在一定范围内调控，有望成为潜在的ZDDP替代品。新型碳基材料近年来被广泛研究，利用化学修饰改善碳基材料石墨烯和纳米碳管的表面性能，也有望产生环保型润滑新产品。..本项目研究内容从分子结构可调控的离子液体和具有优异力学性能的碳基材料入手，设计材料结构并尝试调控基本理化性能，测试其摩擦学性能，分析润滑机理。本项研究主题包括离子液体润滑组合、还原氧化石墨烯基的润滑材料和纳米碳管基复合多孔性材料三部分。离子液体材料具有优异的摩擦学性能，是近年来的研究热点，离子液体的润滑机理归因于摩擦化学反应膜提供了优异的剪切性能，从流体力学角度采用仿真软件分析了离子液体在图案化表面的减摩性能且与实验结果吻合。还原氧化石墨烯基润滑添加剂具有优异的摩擦学性能，归因于其层状结构有助于润滑，还原氧化石墨烯基的固体润滑薄膜具有特殊层状结构与其他元素的协同润滑效应在较高温度下体现了优异的摩擦学性能。纳米碳管基复合多孔性材料能够调控热量传递，在防护表面保持较高温度。.本项目发表和接收论文10篇，其中SCI收录7篇，EI收录3篇，3件中国发明专利处于实质审查，5件中国实用新型专利授权，获得3件软件著作权。