摩擦催化原位诱导生物油摩擦学行为转变机理研究

Bio-oil is expected to be one of the most promising new alternative engine fuels. However, the serious corrosive wear from organic acids in bio-oil limits its application in automotive engines. The present project is based on the systematical investigation of the effect of bio-oil on the engine tribological performances. In order to transform tribological behaviors of bio-oil from “corrosive wear” to “friction-reducing and lubrication”, graphene oxide with rich hydroxyl groups will be used to react with the acids in bio-oil via catalytic esterification during friction, according to the micro-regulation of chemical components and molecular structures in bio-oil, and which will in-situ change the acidic components into esters with the catalysis of tribochemical products on the friction surfaces. The relationship among frictional condition, components in bio-oil and tribological properties will be focused on. The variation of friction and wear of bio-oil are summarized in micro- and nano- scales by modern surface analysis methods. The mechanisms of friction catalysis, friction and wear, and transform of tribological behaviors of bio-oil will be also elucidated. The present research will contribute to enriching the tribological theory of engine fuels and to providing the scientific guidance for the application of bio-oil in engines in the near future.

生物油是目前最有发展潜力的发动机新型代用燃料之一，然而，生物油中有机酸的腐蚀磨损作用是导致其在汽车发动机应用受限的关键问题。本项目在系统研究生物油对发动机摩擦学特性影响的基础上，立足于生物油组成和分子结构的微观调控，拟借助摩擦副表面摩擦化学产物的催化作用，通过添加富含羟基的氧化石墨烯对生物油进行催化酯化改性，将生物油中的有机酸原位转变成酯类，从而诱导生物油摩擦学行为由“腐蚀磨损”向“减摩润滑”转变。本项目将重点研究“摩擦条件-生物油成分-摩擦学特性”之间的内在联系，利用现代表面分析技术，深入探索生物油在微纳尺度摩擦和磨损行为的变化规律，阐明其中的摩擦催化机理、生物油摩擦磨损机理以及摩擦学行为转变机理。研究成果将有助于丰富发动机燃油摩擦学理论，并为促进生物油在汽车发动机上的应用提供科学指导。

针对生物油在汽车发动机上的腐蚀磨损问题，本项目系统开展了生物油的改性及其摩擦学性能研究。通过不同添加剂对生物油摩擦学行为的影响以及摩擦催化原位酯化改性生物油的研究，阐明了生物油在微纳尺度上的润滑机理、摩擦学行为转变机理，实现了生物油摩擦学行为的有效控制。研究发现：（1）通过减压催化酯化、超/亚临界乙醇体系酯化等方法可以实现生物油化学成分的有效转变，提升生物油润滑性能；在非摩擦催化条件下，引入氧化石墨烯片也可以改善生物油的润滑性能。（2）生物油中添加纳米氧化镧可以降低其腐蚀磨损作用，稳定系统的摩擦磨损性能，高负载下出现润滑不足导致粘着磨损；而高转速下由于纳米氧化镧颗粒的团聚和变形，磨粒磨损成为占主导的磨损机制。（3）石墨烯和二硫化钼在酯化生物油中能起到协同润滑效果，机理是能形成更厚的摩擦反应膜，此外，石墨烯存在能增强二硫化钼在摩擦表面上的持久性，而二硫化钼则有利于保护石墨烯不被研碎成更小的或有缺陷的碎片。（4）生物油中加入固体超强酸后，由于催化酯化作用将其中的乙酸转变成了甘油乙酸酯，引发生物油由腐蚀磨损向减摩润滑效果转变。（5）将氧化石墨烯和二硫化钼同时引入Ni-P涂层，在涂层摩擦催化作用下生物油中的有机酸和醇发生了酯化反应在摩擦界面原位生成了有利于润滑的酯类成分，从而实现了生物油摩擦学行为的原位转变。（6）采用摩擦副表面凹坑型微织构联合二硫化钼微米片润滑添加剂可以显著增强酯化生物油的润滑作用，其中的机理是由于微织构表面具有微储油槽的效果，保证了边界摩擦过程中界面润滑油的持续补充，此外，二硫化钼在摩擦界面通过摩擦化学反应生成了具有良好润滑性的摩擦反应膜，共同提高了系统的摩擦学性能。研究成果为促进生物油在汽车发动机上的应用提供了实验基础与科学指导。