摘 要：為了探究醇類物質(zhì)在高載高速工況下的潤(rùn)滑性能，尤其是碳鏈、羥基與潤(rùn)滑性能的關(guān)系，開展了碳鏈長(zhǎng)度、羥基數(shù)目對(duì)醇類物質(zhì)潤(rùn)滑性能影響的研究。利用四球摩擦機(jī)調(diào)查一系列醇類物質(zhì)的摩擦學(xué)性能，結(jié)合黏度儀、透射電鏡和拉曼等檢測(cè)手段，探索碳鏈長(zhǎng)度、羥基數(shù)目對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著碳鏈的增長(zhǎng)磨合期變短、摩擦系數(shù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變短、磨損率降低;隨著羥基數(shù)目的增多磨損率降低、無明顯磨合期和摩擦系數(shù)持續(xù)波動(dòng)(乙二醇)或持續(xù)降低(甘油)。摩擦誘導(dǎo)形成的石墨烯較無定形碳更能有效地促使摩擦體系達(dá)到穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，縮短磨合期，研究結(jié)果可為醇類物質(zhì)在機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

　　關(guān)鍵詞：摩擦學(xué);碳鏈; 羥基; 醇; 石墨烯; 無定形碳; 潤(rùn)滑;減摩抗磨

　　隨著中國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和工業(yè)的快速發(fā)展，摩擦磨損被視為學(xué)科和工業(yè)領(lǐng)域的重要問題。中國工程院調(diào)研結(jié)果顯示，早在2006年中國因摩擦磨損而導(dǎo)致的損失高達(dá)9 500億元，而摩擦學(xué)的相關(guān)知識(shí)和研究成果至少可幫助節(jié)約3 270億元[1]。因此減小甚至消除摩擦磨損成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界亟待解決的問題，而潤(rùn)滑劑是減少運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)摩擦和磨損的有效物質(zhì)[2-3]。由于醇溶液具有綠色環(huán)保、長(zhǎng)效潤(rùn)滑和節(jié)能等特性，彌補(bǔ)了現(xiàn)階段潤(rùn)滑劑不環(huán)保等劣勢(shì)，符合當(dāng)今摩擦學(xué)綠色環(huán)保的發(fā)展理念。自MONTGOMERY[4]和KAJDAS[5]報(bào)道醇在金屬滑動(dòng)界面優(yōu)異的減摩耐磨性能與摩擦化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)以來，基于經(jīng)摩擦化學(xué)反應(yīng)形成的易滑動(dòng)羥基層的減摩機(jī)制，針對(duì)醇類物質(zhì)在低載(1～3 N)下的潤(rùn)滑性能的研究層出不窮。LI等[6-7]和LIU等[8]對(duì)多羥基醇及其混合溶液的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摩擦體系表現(xiàn)出超低摩擦系數(shù)(μ<0.01);除此之外，HU等[9]、張文光等[10]和張招柱等[11]報(bào)道了在高載下醇類物質(zhì)同樣具有優(yōu)異的耐磨和承載性能;郭武明等[12]研究了100 N下DLC-CrN涂層自配副在甘油環(huán)境下具有優(yōu)異的耐磨性能。雖然醇類物質(zhì)在高低載下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦磨損性能，但截止目前，鮮有涉及碳鏈長(zhǎng)度和羥基數(shù)目與摩擦磨損性能關(guān)系的研究。

　　本文從碳鏈長(zhǎng)度和羥基數(shù)目角度出發(fā)，探討了其在高載高速工況下對(duì)醇類物質(zhì)摩擦磨損性能的影響，重點(diǎn)探討了羥基數(shù)目與碳鏈長(zhǎng)度與穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的關(guān)系，以及摩擦誘導(dǎo)形成的碳基潤(rùn)滑物質(zhì)的微結(jié)構(gòu)與形貌、及其磨合期后碳基潤(rùn)滑物質(zhì)在穩(wěn)定體系摩擦系數(shù)方面的重要作用，以期為醇類物質(zhì)在機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 材料及制備

　　甲醇、乙二醇、甘油、正丙醇、正己醇和正辛醇試劑，均為分析純，均購買于阿拉丁試劑網(wǎng)。直徑為10 mm YG8硬質(zhì)合金球作為摩擦副，表面粗糙度約為0.02 μm。YG8配副材料的主要物理性能見表1。YG8硬質(zhì)合金球化學(xué)組成為：

　　1.2 設(shè)備與方法

　　所有實(shí)驗(yàn)在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MRS-1J)上進(jìn)行。測(cè)試時(shí)，上摩擦副的YG8硬質(zhì)合金球以特定的轉(zhuǎn)速持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，下摩擦副的YG8硬質(zhì)合金球保持靜止。此外，醇溶劑以0.5 mL/min的恒定加速率補(bǔ)給至測(cè)試模具中，力學(xué)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄摩擦系數(shù)。實(shí)驗(yàn)載荷和轉(zhuǎn)速分別為98 N和1 450 r/min， 測(cè)試室溫為(25±5)℃， 在相同條件下重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　拉曼光譜采用LabRam HR800 Jobin-Yvon光譜儀(激發(fā)波長(zhǎng)為532 nm)測(cè)定，疊加次數(shù)為2，數(shù)據(jù)收集時(shí)間為30 s。黏度采用NDJ-8s黏度儀測(cè)定，測(cè)定溫度為25 ℃，測(cè)定次數(shù)設(shè)為3，取3次平均值作為近似黏度值。采用TF20透射電鏡對(duì)磨液中摩擦誘導(dǎo)形成的固態(tài)物質(zhì)的形貌進(jìn)行表征。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 摩擦磨損性能

　　圖1為體系在甲醇、正丙醇、正己醇和正辛醇為潤(rùn)滑劑時(shí)的摩擦系數(shù)。其中甲醇的摩擦系數(shù)曲線呈現(xiàn)完全不同的特征，在200～500 s出現(xiàn)明顯的峰值。這一現(xiàn)象在之前的研究[13]中也有發(fā)現(xiàn)。結(jié)果表明，經(jīng)摩擦誘導(dǎo)生成了碳基物質(zhì)石墨烯，并能有效提升和改善體系的摩擦磨損性能。在相同羥基數(shù)目(1個(gè))下，當(dāng)碳原子數(shù)小于6時(shí)，摩擦系數(shù)隨著碳鏈長(zhǎng)度的增長(zhǎng)呈下降的趨勢(shì);當(dāng)碳原子數(shù)大于6時(shí)，摩擦系數(shù)反向增大。除此之外，隨著碳原子數(shù)的增加，磨合期和達(dá)到穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的時(shí)間都呈縮短趨勢(shì)。4種潤(rùn)滑體系的黏度值如圖2所示，黏度值隨著碳原子數(shù)和碳鏈長(zhǎng)度的增加而增大。

　　圖3為體系在甲醇、乙二醇和甘油為潤(rùn)滑劑下的摩擦系數(shù)。隨著羥基數(shù)目的增加(1-3個(gè))， 摩擦系數(shù)先降低后增加。乙二醇為潤(rùn)滑劑時(shí)，體系的摩擦系數(shù)一直處于波動(dòng)中;甘油為潤(rùn)滑劑時(shí)，體系的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間的增加而逐漸降低。圖4為甲醇、乙二醇和甘油的黏度值，隨著羥基數(shù)目的增加黏度不斷變大。

　　圖5分別為在4種不同碳鏈長(zhǎng)度(見圖5 a))和3種不同羥基數(shù)目(見圖5 b))的醇溶液為潤(rùn)滑劑時(shí)的平均摩擦系數(shù)。圖6 a)為在甲醇、正丙醇、正己醇和正辛醇為潤(rùn)滑劑下YG8硬質(zhì)合金球的磨斑直徑，隨著碳原子數(shù)和碳鏈長(zhǎng)度的增加，體系的耐磨性能增強(qiáng)，雖然磨斑直徑在正辛醇為潤(rùn)滑劑下存在小范圍的反彈，但是磨斑直徑仍存在持續(xù)降低的趨勢(shì)，這一趨勢(shì)在圖5 a)中具有相同的體現(xiàn)。

　　圖6 b)為在甲醇、乙二醇和甘油為潤(rùn)滑劑下YG8硬質(zhì)合金球的磨斑直徑，隨著羥基數(shù)目的增加，磨斑直徑不斷減小。

　　而圖5 b)中摩擦系數(shù)并沒有顯示出與磨斑直徑一致的趨勢(shì)，這是由于隨著羥基數(shù)目的增加黏度增大而導(dǎo)致的。

　　文獻(xiàn)[14—15]報(bào)道了黏度與體系的摩擦學(xué)性能密切相關(guān)，具有較高黏度的潤(rùn)滑劑能有效提升摩擦體系的減摩耐磨性能。

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