润滑油在摩擦过程中，因金属基底的催化作用发生脱氢聚合成高分子无序积碳，高分子无序积碳深度脱氢裂解产生有序石墨化碳。这一变化过程影响了润滑油的润滑性能。因此，在明确催化反应机理的基础上，利用润滑添加剂在摩擦界面间的化学反应原位调控碳基摩擦膜生长，对提升润滑油润滑性能意义重大。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所先进润滑与防护材料研究发展中心冯大鹏研究员团队从润滑油分子的界面行为出发，研究了分子结构对润滑剂吸附行为的影响规律。
研究人员通过试验与密度泛函理论（DFT）计算表明，高吸附能和高表面能的润滑剂分子更易吸附于基底发生摩擦化学反应，与润滑性能的正相关性使其表现出低摩擦磨损。相关成果发表在Friction（2023, 11(6): 911–926, DOI: 10.1007/s40544-022-0630-9）上，并入选当期封面文章(Front Cover Article)。在此基础上，研究人员选择极性癸二酸二辛酯（DOS）分子，在其强吸附作用下，DOS进一步与基底发生反应，分子中C-H及叔碳处C-C键的断裂证实了金属基底催化过程中脱氢断键的化学反应过程。相关成果发表在Tribology International(2021,155:106745,DOI:10.1016/j.triboint.2020.106745）上。
基于上述不同体系均产生了碳基物质包覆纳米级Fe3O4颗粒磨屑的相同研究结果，研究人员通过Arrhenius公式考察了热-力耦合作用下润滑油活化能的变化，证实了Fe3O4颗粒的热催化和剪切的协同作用降低了反应所需活化能，从而促进了体系性能的提升。相关成果发表在Tribology International(2022,165:107289,DOI: 10.1016/j.triboint.2021.107289）上。
图1.分子结构对润滑剂界面行为与摩擦学性能的作用规律
图2.Friction封面
基于原位摩擦催化设计理念，研究人员将超薄2D-MOF纳米片添加至500N中，Ni-MOF与基础油分子和Fe基体发生催化化学反应，形成由铁氧化物、碳基物质和氮基物质组成的具有混凝土结构的碳基摩擦膜，使摩擦系数和磨损分别降低33.2%和98.7%。相关成果发表在Materials & Design(2022,223:111251,DOI: 10.1016/j.matdes.2022.111251）与《中国科学:技术科学》(2022, 53(3):1674-7259, DOI: 10.1360/SST-2022-0162)上。
图3.Ni-MOF纳米片的形貌与性能
为促使界面间碳基摩擦膜的快速形成，研究人员选取吸附能和表面能较高的活性碳源小分子环丙甲酸（CPCa）与金属粒子复合引入基础油，CPCa在热催化-力剪切作用下快速发生脱氢断键向石墨化转变，生成了含有石墨烯的碳基摩擦膜。同时，石墨化产物促进了润滑体系的可持续润滑效应，提升了体系的润滑寿命。相关成果发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering(2023, 11(6): 2238-2248, DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c05639）上,并入选当期补充封面文章（Supplementary Cover Article）。
图4.摩擦催化原位形成石墨烯润滑体系的摩擦催化机制与可持续润滑性能
图5.ACS Sustainable Chemistry & Engineering补充封面
兰州化物所于鸿翔博士为论文第一作者，冯大鹏研究员和乔旦副研究员为通讯作者。
以上研究工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会和兰州化物所青年科技工作者协同创新联盟合作基金的支持。
