科研進(jìn)展
蘭州化物所碳基摩擦膜形成機制及性能調控研究獲新進(jìn)展
潤滑油在摩擦過(guò)程中，因金屬基底的催化作用發(fā)生脫氫聚合成高分子無(wú)序積碳，高分子無(wú)序積碳深度脫氫裂解產(chǎn)生有序石墨化碳。這一變化過(guò)程影響了潤滑油的潤滑性能。因此，在明確催化反應機理的基礎上，利用潤滑添加劑在摩擦界面間的化學(xué)反應原位調控碳基摩擦膜生長(cháng)，對提升潤滑油潤滑性能意義重大。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤滑與防護材料研究發(fā)展中心馮大鵬研究員團隊從潤滑油分子的界面行為出發(fā)，研究了分子結構對潤滑劑吸附行為的影響規律。
研究人員通過(guò)試驗與密度泛函理論（DFT）計算表明，高吸附能和高表面能的潤滑劑分子更易吸附于基底發(fā)生摩擦化學(xué)反應，與潤滑性能的正相關(guān)性使其表現出低摩擦磨損。相關(guān)成果發(fā)表在Friction（2023, 11(6): 911–926, DOI: 10.1007/s40544-022-0630-9）上，并入選當期封面文章(Front Cover Article)。在此基礎上，研究人員選擇極性癸二酸二辛酯（DOS）分子，在其強吸附作用下，DOS進(jìn)一步與基底發(fā)生反應，分子中C-H及叔碳處C-C鍵的斷裂證實(shí)了金屬基底催化過(guò)程中脫氫斷鍵的化學(xué)反應過(guò)程。相關(guān)成果發(fā)表在Tribology International(2021,155:106745,DOI:10.1016/j.triboint.2020.106745）上。
基于上述不同體系均產(chǎn)生了碳基物質(zhì)包覆納米級Fe3O4顆粒磨屑的相同研究結果，研究人員通過(guò)Arrhenius公式考察了熱-力耦合作用下潤滑油活化能的變化，證實(shí)了Fe3O4顆粒的熱催化和剪切的協(xié)同作用降低了反應所需活化能，從而促進(jìn)了體系性能的提升。相關(guān)成果發(fā)表在Tribology International(2022,165:107289,DOI: 10.1016/j.triboint.2021.107289）上。
圖1.分子結構對潤滑劑界面行為與摩擦學(xué)性能的作用規律
圖2.Friction封面
基于原位摩擦催化設計理念，研究人員將超薄2D-MOF納米片添加至500N中，Ni-MOF與基礎油分子和Fe基體發(fā)生催化化學(xué)反應，形成由鐵氧化物、碳基物質(zhì)和氮基物質(zhì)組成的具有混凝土結構的碳基摩擦膜，使摩擦系數和磨損分別降低33.2%和98.7%。相關(guān)成果發(fā)表在Materials & Design(2022,223:111251,DOI: 10.1016/j.matdes.2022.111251）與《中國科學(xué):技術(shù)科學(xué)》(2022, 53(3):1674-7259, DOI: 10.1360/SST-2022-0162)上。
圖3.Ni-MOF納米片的形貌與性能
為促使界面間碳基摩擦膜的快速形成，研究人員選取吸附能和表面能較高的活性碳源小分子環(huán)丙甲酸（CPCa）與金屬粒子復合引入基礎油，CPCa在熱催化-力剪切作用下快速發(fā)生脫氫斷鍵向石墨化轉變，生成了含有石墨烯的碳基摩擦膜。同時(shí)，石墨化產(chǎn)物促進(jìn)了潤滑體系的可持續潤滑效應，提升了體系的潤滑壽命。相關(guān)成果發(fā)表在A(yíng)CS Sustainable Chemistry & Engineering(2023, 11(6): 2238-2248, DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c05639）上,并入選當期補充封面文章（Supplementary Cover Article）。
圖4.摩擦催化原位形成石墨烯潤滑體系的摩擦催化機制與可持續潤滑性能
圖5.ACS Sustainable Chemistry & Engineering補充封面
蘭州化物所于鴻翔博士為論文第一作者，馮大鵬研究員和喬旦副研究員為通訊作者。
以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )和蘭州化物所青年科技工作者協(xié)同創(chuàng )新聯(lián)盟合作基金的支持。
