集成计算材料工程在固体润滑领域的应用

摩擦是涉及数学、物理和材料学等学科的一门复杂的交叉学科。集成计算材料工程是将计算材料科学工具集成为一个整体系统并把设计和制造统一起来,可充分发挥其综合解决问题的优势,加速先进固体润滑材料的开发和优化工程设计的过程。本文从新材料研发的理论驱动范式出发,介绍了Prandtl-Tomlinson和Frenkel-Kontorova经典摩擦模型。应用这些模型,总结了本团队在原子尺度模拟计算中二维润滑材料的磨损及润滑机制方面的研究进展。从数据驱动的机器学习角度,通过分析润滑和耐磨损2种性能案例,综合人工智能在材料摩擦性能方面的研究逻辑和特点。基于新材料研发范式的逻辑,讨论集成计算材料工程在固体润滑领域的应用,突出集成多尺度计算模式对揭示结构超滑的机制具有重要意义。

纳米铜润滑添加剂在四球机上的摩擦学性能研究及机理探讨

用MRS-10 J四球摩擦磨损试验机考察了N68基础油和添加了自修复纳米铜润滑添加剂NT1的N68NT1的摩擦学性能,用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能量色谱仪(EDS)分析了钢球表面的磨斑形貌和组成,同时初步分析了纳米铜润滑添加剂的润滑机理。结果表明:自修复纳米铜润滑油添加剂NT1能显著改善N68基础油的摩擦学性能;在载荷为296 N、392 N、490 N,试验时间为30 m in的试验条件下,摩擦副的摩擦因数同基础油的相比分别下降了33.8%、39.4%和55.5%;钢球的磨斑直径分别下降了46.5%、45.6%和32.5%;同N68相比,N68NT1的pB值提高了33.3%;这可能同摩擦过程中钢球表面上沉积膜的协同作用有关。

氨基酸离子液体作为不同摩擦副润滑剂的性能研究

设计合成了三种具有不同官能团结构的氨基酸类离子液体,采用SRV-Ⅳ微动摩擦磨损试验机考察了其作为Si_3N_4/Si_3N_4和钢/钢摩擦副润滑剂的摩擦学性能,并与丙三醇进行对比,采用扫描电镜和X射线光电子能谱仪分析磨斑形貌和表面元素的化学状态.结果表明:三种氨基酸类离子液体均能适用于两种摩擦副的润滑,并具有良好的减摩抗磨性能.羟基和羧基官能团的存在不仅有效增强了离子液体在基底上的物理吸附作用,同时还促使其与摩擦副发生摩擦化学反应.比较三种离子液体的摩擦学性能发现,同时含有两个羧基的谷氨酸四丁基磷盐离子液体的减磨性能优于其他两种只含一个羟基或羧基基团的离子液体.

膦酸酯类离子液体作为钢/铜锡合金润滑剂的摩擦学性能及其机理研究

合成了三种膦酸酯类离子液体,在微动摩擦磨损试验机SRV-IV上评价其作为钢/铜锡合金润滑剂的摩擦学性能,并与全氟聚醚及传统离子液体1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐对比.采用扫描电子显微镜(SEM)及X射线光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面进行了分析.结果表明:所合成的膦酸酯类离子液体在常温及高温下均表现出优于全氟聚醚及1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐离子液体的摩擦学性能.离子液体分子的极性使其形成有效的吸附润滑膜,并且膦酸酯类离子液体与金属基底发生了摩擦化学反应,形成了摩擦化学反应膜,从而使该离子液体表现出优异的摩擦学性能.

膦酸酯离子液体作为两种碳氢润滑油添加剂的摩擦学行为及机理研究

合成了三种膦酸酯离子液体,在微动微振摩擦磨损试验机SRV-IV上评价其作为两种碳氢润滑油(矿物油和聚α-烯烃)的添加剂对钢/钢摩擦副的摩擦学性能.采用扫描电子显微镜(SEM)及X射线光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面进行了分析.结果表明:膦酸酯离子液体能够有效改善这两种碳氢润滑油的摩擦学性能,离子液体分子的极性性质使其能够从基础油中不断吸附到金属表面,形成有效的吸附润滑膜,并且膦酸酯离子液体与金属基底发生了摩擦化学反应,形成了摩擦化学反应膜,从而使该离子液体表现出优异的减摩抗磨性能.

电化学沉积法制备纳米金属多层膜的研究进展

介绍了电化学沉积方法制备金属多层膜的现状 ,纳米金属多层膜的摩擦学、机械、磁学、电学、光学和催化性能 。

二烷基磷酸锌作为润滑油添加剂的摩擦学行为研究

合成了二烷基磷酸锌(ZDP),采用四球摩擦试验机对其作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能进行了研究,同时研究了ZDP与有机胺进行复配后的摩擦磨损性能.采用扫描电子显微镜(SEM)分析了磨损表面的微观形貌,采用X射线光电子能谱仪(XPS)分析了摩擦表面典型元素的化学状态.结果表明:ZDP作为润滑油添加剂与二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)相比,表现出低摩擦高磨损的性能;ZDP与有机胺复配之后表现出优异的摩擦磨损性能,其原因是由于复配之后在摩擦表面形成了复杂的含有N、P等元素的摩擦化学反应膜,同时提高了摩擦表面P元素的含量进而起到了降低摩擦磨损的作用.

季膦盐离子液体润滑脂的制备及摩擦学规律研究

发展高性能离子液润滑脂是离子液体作为新型润滑材料在摩擦学领域的热点和重点.针对这一问题,用三丁基烷基季膦盐离子液体为基础油,聚四氟乙烯微粉为稠化剂制备了三种具有较高滴点的润滑脂.在钢/钢摩擦副表面摩擦学研究结果表明:与1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯盐离子液体润滑脂相比,在室温和高温(100℃)下,三丁基烷基季膦盐离子液体润滑脂均具有优异的减摩抗磨性能.通过磨斑表面的XPS分析和电场条件下考察离子液体润滑脂摩擦系数变化,推断三丁基烷基季膦盐离子液体润滑脂的减摩抗磨机理为离子液体润滑脂中的聚四氟乙烯与摩擦表面发生摩擦化学反应生成含FeF_2的化学反应膜,以及离子液体阳离子、阴离子以物理吸附的方式在摩擦表面形成稳定吸附膜.

碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的摩擦学性能研究

采用碳酸钙纳米颗粒与全氟聚醚型超分子凝胶复合得到了一种新型的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂.超分子凝胶具有错综复杂的网络结构,有效地提高了碳酸钙纳米颗粒在全氟聚醚润滑油中的分散稳定性.此外,碳酸钙纳米颗粒作为添加剂极大地提高了超分子凝胶的润滑性能,使其表现出较好的耐高温性能,以及较高的承载力.采用差式扫描量热仪、热重分析仪和流变分析仪对该复合润滑剂的热力学性能进行表征,结果显示该复合润滑剂具有很好的热稳定性以及较好的力学性能.最后,通过X射线光电子能谱(XPS)对其摩擦机理进行表征,结果表明碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂优异的摩擦学性能可归因于碳酸钙纳米颗粒在摩擦副表面形成了易剪切的薄膜,以及小尺寸的纳米粒子在摩擦过程中对摩擦表面进行的自修复效应.

胆固醇类油溶性类离子液体润滑添加剂的制备及摩擦学性能研究

合成制备了两种胆固醇类季磷盐油溶性类离子液体,并将其分别作为聚α烯烃PAO-10的润滑添加剂,静置试验和热重分析结果表明两种油溶性类离子液体在PAO-10中具有良好的分散稳定性和热稳定性.微动摩擦磨损测试结果表明两种类离子液体可显著改善基础油对钢/铝摩擦副的摩擦学性能.扫描电子显微镜(SEM)结果表明空白PAO-10润滑摩擦副时磨损类型以黏着磨损为主,以添加两种离子液体的混合油样为润滑剂时磨斑直径显著降低,此时摩擦副间磨损类型以磨粒磨损和腐蚀磨损为主.X射线光电子能谱分析(XPS)与X射线能谱仪(EDS)表明类离子液体中的活性元素在摩擦过程中可与铝基体表面发生摩擦化学反应.两种类离子液体的润滑机理归因于类离子液体与金属基体发生摩擦化学反应生成具有减摩抗磨作用的磷酸盐和硫酸盐等耐磨化合物.

磷酸酯阴离子插层水滑石作为纳米润滑添加剂的研究

利用尿素分解法制备了镍铝基水滑石(LDH)纳米材料,然后采用离子交换法对其进行了磷酸酯插层修饰,成功合成了二丁基磷酸酯阴离子插层水滑石(LDH-DBP)和二异辛基磷酸酯阴离子插层水滑石(LDH-OBP)纳米材料.通过傅立叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪、热重和透射电子显微镜对所制备纳米材料的化学组成、晶体结构及颗粒形貌进行了分析表征.采用SRV-IV摩擦试验机研究其作为PAO-4的润滑添加剂的摩擦学性能,试验结果表明:磷酸酯阴离子插层修饰的水滑石纳米添加剂可显著提高PAO-4在高载荷(200 N))条件下的摩擦学性能,其减摩抗磨机理可归于水滑石纳米材料的片状吸附和磷酸酯摩擦化学反应的协同作用.

高性能润滑材料多烷基环戊烷的研究进展

介绍高性能润滑材料多烷基环戊烷(MACs)作为基础油和边界润滑薄膜的发展概况及发展现状,阐明MACs摩擦性能优于其他润滑材料的作用机制及末端基团功能化、添加纳米颗粒、表面织构化、构筑双层薄膜等改善MACs摩擦学性能的方法途径及机制,指出当前MACs作为高性能润滑材料存在的问题及将来的研究趋势。

全氟聚醚羧酸铵离子液体的润滑性能及润滑机理研究

设计制备了三种全氟聚醚羧酸铵离子液体,在微动振动摩擦磨损试验机上考察了其在不同温度下对钢/铜锡合金以及钢/钢摩擦副的润滑性能,并与全氟聚醚(PFPE)和全氟聚醚羧酸(PFPEC)进行了对比.通过测量接触角表征了所制备离子液体对金属表面的润湿性,通过测试摩擦试验过程中接触电阻的变化分析了摩擦过程中摩擦膜的变化;采用扫描电镜和X射线光电子能谱仪分别对磨斑表面形貌和元素状态进行了表征.结果表明:作为钢/铜锡合金摩擦副的润滑剂时,全氟聚醚羧酸铵离子液体在常温下的润滑性能与PFPE和PFPEC相差不大,但在高温条件下表现出更为优异的减摩抗磨性能;而作为钢/钢摩擦副的润滑剂,其在常温、高温条件下均表现出优于PFPE以及PFPEC的减摩抗磨性能.多种物理化学表征研究表明该类离子液体优异的减摩抗磨性能归因于其在金属表面优异的吸附性能以及稳定摩擦化学反应膜的形成.

偏高岭石基土聚水泥的研究

以偏高岭石为原料,氢氧化钠溶液和水玻璃的混合溶液为激发剂,在室温条件下制备了土聚水泥。通过XRD,IR和SEM研究了土壤聚合反应的机理并观察了土聚水泥的形貌。结果表明:在氢氧化钠溶液和水玻璃的混合溶液的激发下偏高岭石发生了土壤聚合反应,生成了无定形的土聚水泥;该土聚水泥呈层状结构并含有非结合水;该土聚水泥具有早强的特性,其强度和密度均随着激发剂中碱强度的增加而增大。

湿化学法制备表面包覆BaTiO_3纳米复合微粒及其结构表征

通过湿化学法合成了表面包覆硬脂酸的钛酸钡纳米复合微粒。通过FT－IR和XPS可以确认有机修饰层的极性基团通过化学键与无机内核结合；虽然BaTiO3结晶形为无定型，但通过Raman和XRD依然可以确定四方相结构，TEM结果显示纳米微粒的尺寸在10－20nm左右。由于有机修饰层的在影响了BaTiO3的成核机理和晶体生长过程中的择优取向。提出了硬脂酸表面有机修饰BaTiO3纳米微粒的形成机理，并给出其结构模型。

不同活性高岭土矿物聚合反应的研究

使用 8M氢氧化钠溶液和模数为 3.2的硅酸钠水玻璃的混合溶液为激发剂 ,选用两种不同活性的高岭土在室温、4MPa的压力条件下制备了矿物聚合物材料。通过XRD、IR和SEM等手段研究了矿物聚合反应的机理 ,考察了高岭土的活性对矿物聚合反应的影响 ,观察了基于高岭土的矿物聚合物材料的形貌。结果表明 ,较高活性的高岭土在激发剂作用下发生了较完全的矿物聚合反应 ,其产物可以用XRD得到明显的鉴别 ,而低活性高岭土与激发剂的作用产物XRD上没有明显的特征识别 ;两种活性高岭土基的矿物聚合反应产物均为层状结构 ,基于高活性高岭土的矿物聚合反应产物的层的连续性和致密性比基于低活性高岭土的好。

不同载荷下钛合金激光熔覆Ni60/h-BN自润滑耐磨复合涂层的摩擦学性能

为提高钛合金的摩擦学性能,以金属陶瓷Ni60和固体润滑剂h-BN复合合金粉末为原料,采用激光熔覆技术在钛合金表面制备出了以硬质Ti C、Ti B2、Cr B等为耐磨增强相、以h-BN为固体润滑相的自润滑耐磨复合涂层.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了涂层的显微组织结构及物相;在室温条件下分别在不同载荷(2、5和8 N)下以Si3N4陶瓷球为对偶件测试了复合涂层与基体的干滑动磨损性能,并分析了其磨损机理.结果表明:复合涂层的平均硬度为HV0.21 013.75,约是基体(HV0.2360)的3倍,在所有试验载荷下,复合涂层的摩擦系数和磨损率均比基体的低.随着载荷的增加,涂层的摩擦系数和磨损率均先减小后升高,说明涂层在5 N载荷下显示出最好的自润滑和耐磨性能.

电化学沉积DLC膜及其表征

采用电化学沉积方法 ,甲醇有机溶剂作碳源 ,在直流电源作用下在单晶硅表面沉积得到碳薄膜。薄膜不溶于苯、丙酮等有机溶剂 ,具有较高的硬度 (16GPa左右 ) ,用AFM、Raman和FTIR分析手段对该薄膜表面形貌和结构进行表征 ,Raman和FTIR结果表明电化学沉积得到的是含氢的类金刚石碳薄膜。通过研究样品薄膜的XPS和XAES谱图特征 ,进一步证实薄膜是DLC薄膜 ,并用线性插入法估算出样品薄膜中SP3的相对含量为 6 0 % 。

表面修饰FeS纳米微粒的研究(Ⅱ)——摩擦学特性研究

用四球摩擦磨损试验机考察了二烷基二硫代磷酸(DDP)修饰FeS纳米微粒作为润滑油添加剂的摩擦学行为。结果表明,DDP修饰FeS纳米微粒在极低的添加量时即具有良好的抗磨效果,但不能降低基础油的摩擦因数;磨损表面分析表明钢球表面形成了边界润滑膜,使摩擦学性能得到明显改善。

纳米微粒在摩擦学中的应用研究

介绍了纳米微粒在摩擦学中的研究现状 ,并对其机理进行了综述。