摩擦原位诱导多自由位点二维纳米颗粒构筑层层组装膜研究

New aerospace engine requires remarkable reliability of rolling bearing in boundary lubrication and starved lubrication. Based on the tribochemical interactions driven by contact stress (normal and shear) at friction interface, we propose polyelectrolyte capped nanoparticles with plenty of freely-action groups as oil additives, creating a solidified porous and self-lubricating coating on the tribological interface. This coating meets the requirements of on-demand and in-situ lubrication, as well as long operating life..In the present study, firstly, the influence of ball milling parameters, polyelectrolyte properties, solvents and dispersants on the particle size and oil solubility of capped nanoparticles are studied. These capped nanoparticles with plenty of freely-action groups, together with well-dispersion in oil, are fabricated. Secondly, the effect of applied normal load and shear stress in the tribological contact on the formation of layer-by-layer self-assembly film are investigated. The action mechanism of mechanical force on the film structure, thickness and the porous density are clearly understood to obtain the tunable microstructure film. Thirdly, the tribological behavior and lubrication mechanism of this self-assembly film are studied under boundary lubrication and starved lubrication. It reveals the created-film with porous structure releases the lubricant under starved lubrication, and the polyelectrolyte and nanoparticle show the synergistic lubrication effect under boundary lubrication. It achieves the tunable fabrication of self-assembly film with superior lubrication performance as well as long operating life, by designing the structure and materials.

新一代航空发动机向高功率密度方向发展，对滚动轴承在边界润滑、乏油等极端工况下的服役可靠性提出了更高要求。本项目拟采用特定结构和功能的聚电解质大分子包覆的纳米颗粒复合构筑基元作为润滑油添加剂，在摩擦诱导下，基于构筑基元内部的自由活性位点之间的相互作用力，在摩擦界面上原位构筑长寿命多孔自润滑薄膜，实现定点、按需、长时润滑。研究聚电解质种类、溶剂和分散剂等对颗粒分散稳定性的影响规律，制备在润滑油中稳定分散的多自由活性位点的纳米颗粒基构筑基元；研究在摩擦压应力、剪应力、温度等作用下，组装膜的多位点粘附成膜驱动力及生长动力学，实现膜结构和孔密度的精细调控；研究组装膜化学成分和结构对其在边界润滑和乏油下摩擦学行为的制约机制，探明润滑油的释放行为以及各组分间的协同润滑机理。通过对组装膜的结构和化学成分优化设计，实现良好润滑性能、长耐磨寿命的薄膜的可控原位制备，获得有学术意义和工程实用价值的成果。

新一代航空发动机向高功率密度方向发展，对滚动轴承在边界润滑、乏油等极端工况下的服役可靠性提出了更高要求。本项目采用大分子包覆的纳米颗粒复合构筑基元作为润滑油添加剂，在摩擦诱导下，基于构筑基元内部的自由活性位点之间的相互作用力，在摩擦界面上原位构筑长寿命多自润滑薄膜。.（1）油溶性纳米颗粒基构筑基元的设计及可控制备。基于纳米颗粒之间的相互作用，完善了纳米颗粒的烷基化设计理论，明确了大分子的空间位阻作用对制备良好分散稳定性颗粒的制约作用；采用球磨湿磨法制备了有机大分子包覆纳米颗粒构筑基元，获得了粒径约为200 nm、稳定分散超过2个月的烷基化BN、硼酸等纳米颗粒。.（2）实现了摩擦作用下层层薄膜的原位构筑，明晰了其生长机制。在摩擦界面获得了含硼的摩擦膜，明晰了硼酸摩擦薄膜基于氢键作用的生长驱动力以及路径。通过对轴承钢表面进行渗硼改性，增加摩擦副基底表面的活性作用位点，以富含极性官能团的氧化石墨烯（GO）为添加剂，在摩擦面原位构筑了厚度达280 nm左右的无孔洞的致密GO层层组装膜；分子动力学结果明晰了GO与渗硼改性表面的优先吸附是GO原位成膜的前提，其高吸附能为GO组装膜的生长提供了驱动力。.（3）明晰了组装膜的摩擦学行为、耐久性，阐明了其内在协同润滑机制。明确了含B纳米颗粒的润滑优势，制备得到的烷基化硼酸纳米颗粒可将润滑油的摩擦系数降低30 %以上，承载能力提高3.5倍以上；通过对多种纳米颗粒的摩擦行为对比分析，探明了组装膜结构成分对摩擦性能的影响，揭示了含B纳米颗粒的良好热稳定性对其润滑增效的促进作用，并建立纳米颗粒润滑油添加剂的设计准则。同时，在渗硼表面原位构筑的氧化石墨烯组装膜具有良好的低摩擦行为（~0.04）和优异的承载能力；分子动力学研究进一步表明，GO颗粒与渗硼改性表面之间的协同低摩擦行为，来源于GO组装膜内部之间的易剪切滑移界面。本研究为开发新型的、具有良好润滑性能及长耐磨寿命的功能化组装表面材料奠定了基础。