摩擦學(xué)研究領(lǐng)域的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)(編輯修改稿)
2025-07-17 06:58 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 小的分子通過β碳原子進(jìn)行分解；大分子的化合物通過縮和反應(yīng)生成聚合物，典型的縮和反應(yīng)如下式所示：主要的化學(xué)反應(yīng)包括：氧化步驟；有機(jī)酸的生成；羥醛縮和生成高分子化合物。當(dāng)聚合物的分子量達(dá)到溶解性的極限（約10000）時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物變的不可溶，并沉積在摩擦表面。這些物質(zhì)可溶于極性溶劑如THF，并且可以用凝膠色譜按照分子量大小進(jìn)行分離[16]。 有機(jī)金屬化合物摩擦化學(xué)反應(yīng)中一個(gè)重要的方面就是金屬的催化作用[17]。Klaus首先用中子活化分析方法確認(rèn)了氧化后潤(rùn)滑劑中油溶性有機(jī)金屬化合物的存在；Gates等人用凝膠色譜法和原子吸收光譜法對(duì)有機(jī)金屬化合物的分子量分布進(jìn)行了分析[18]，圖9給出的是全合成潤(rùn)滑劑（包含抗磨劑、分散劑和清凈劑等）隨著摩擦過程的進(jìn)行，有機(jī)金屬化合物的分布與時(shí)間的關(guān)系。圖 9 有機(jī)金屬化合物的分布與摩擦?xí)r間的關(guān)系從圖中可以看出，有機(jī)金屬化合物的含量較少，但是其生成速度很快。光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果顯示，摩擦接觸開始1min后，邊界潤(rùn)滑膜已完全生成。隨著摩擦的進(jìn)行，有機(jī)鐵化合物的最大分子量穩(wěn)定在3000左右，說明摩擦過程中有機(jī)鐵化合物被剪切掉。在ASTM發(fā)動(dòng)機(jī)程序Ⅲ氧化試驗(yàn)中的凸輪軸和螺桿上，也發(fā)現(xiàn)生成了這類有機(jī)金屬化合物。圖 10 不同基礎(chǔ)油組成所生成的有機(jī)金屬化合物基礎(chǔ)油具有不同的化學(xué)組成，在氧化條件下也會(huì)發(fā)生不同的反應(yīng)。用高效液相色譜（HPLC）可以將基礎(chǔ)油分成不同的組分如飽和組分、芳香族組分和極性組分等，然后用微氧化實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的組分進(jìn)行測(cè)試，所生成的有機(jī)金屬化合物用GPCGFAA進(jìn)行分析，結(jié)果見圖10。從上圖中可以看出，氧化過程中，基礎(chǔ)油的極性組分生成有機(jī)金屬化合物的速率最大，芳香化合物其次，飽和組分所含有的有機(jī)金屬化合物最少。 ZDDP的抗磨機(jī)理ZDDP等抗磨劑在摩擦接觸過程中發(fā)生分解，在表面生成硬度大、韌性強(qiáng)的無定形潤(rùn)滑膜。Waltkins推測(cè)了玻璃狀多磷酸鹽的生成[19]；Martin等用EXAFS觀察了無定形摩擦膜[20]；Warren等考察了ZDDP潤(rùn)滑下摩擦膜的納米化學(xué)性質(zhì)[21]，發(fā)現(xiàn)高負(fù)荷下有高彈性的摩擦膜和減摩玻璃狀潤(rùn)滑膜的生成，磨斑表面的膜彈性強(qiáng)度高達(dá)200 GPa；稍低負(fù)荷下生成彈性－塑性的混合膜。有研究表明，沒有基礎(chǔ)油復(fù)配的抗磨劑如ZDDP等單獨(dú)使用并不能表現(xiàn)出抗磨作用，這就意味著有效的抗磨膜必然伴隨著復(fù)雜的反應(yīng)產(chǎn)物，它們互相作用才能達(dá)到最佳的性能：為了承擔(dān)負(fù)荷，就必須形成硬度大的固體膜；為了分散壓力，提供犧牲性的抗剪切膜以免摩擦表面受到損害，就要生成柔軟的聚合物膜[16]；磨屑可能對(duì)于柔軟的聚合物膜有著強(qiáng)化作用。 邊界潤(rùn)滑膜設(shè)計(jì)上文中，對(duì)設(shè)計(jì)有效的邊界潤(rùn)滑膜所需的幾個(gè)要素進(jìn)行了論述，可以確定：摩擦過程中，添加劑、基礎(chǔ)油和表面金屬之間的摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物中，不但要包括硬度大的、持久的負(fù)荷承載物，還要有軟的、易剪切的聚合物組分；反應(yīng)的活化能、動(dòng)力學(xué)要素必須和摩擦過程中的溫度范圍相適應(yīng)；各種反應(yīng)條件的優(yōu)化目的是保證反應(yīng)產(chǎn)物的生成速率大于摩擦過程中的物理剪切速率；最后，磨屑強(qiáng)化的特殊摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)起到特殊的作用。綜合以上的概念，我們可以設(shè)想一個(gè)理想化的邊界潤(rùn)滑膜模型（見圖11）。圖 11 一個(gè)理想化的邊界潤(rùn)滑膜設(shè)計(jì)模型對(duì)于理想化的邊界潤(rùn)滑膜，表面化學(xué)反應(yīng)的理解和控制提供了生成承載潤(rùn)滑膜的基礎(chǔ)。潤(rùn)滑劑分子間適當(dāng)?shù)恼持饔煤驮诒砻嫔系奈剑梢陨晒腆w膜；較強(qiáng)的鍵合作用，但是較弱的粘著力，可以生成柔軟的、可變形的、可分散壓力的膜組分；可移動(dòng)的物質(zhì)能夠提供易剪切的層組分，可以減少壓力向表面的滲透；根據(jù)摩擦條件苛刻程度的不同，可移動(dòng)的活性物質(zhì)能夠?qū)φ澈辖M分進(jìn)行補(bǔ)充，這一過程被稱作自修復(fù)或自復(fù)原作用，對(duì)于延長(zhǎng)苛刻條件下的機(jī)械部件的壽命十分重要。三、化學(xué)膜承載能力的確定在邊界潤(rùn)滑條件下，極壓劑、抗磨劑和摩擦系數(shù)改進(jìn)劑都可以在摩擦表面形成吸附膜或化學(xué)反應(yīng)膜。在利用球盤實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)不同類型的EP/FM添加劑潤(rùn)滑下的鋼球磨斑在特定壓力和滑動(dòng)速度下有一個(gè)特定值，當(dāng)磨斑直徑達(dá)到這一特定值后，在隨后的摩擦過程中不再增大；只有當(dāng)滑動(dòng)速度減小或壓力增大時(shí)，才會(huì)使磨斑增大[22]。根據(jù)這一現(xiàn)象，可以通過減小滑動(dòng)速度為0或者增大壓力至最大負(fù)荷，來推斷潤(rùn)滑膜的承載能力，進(jìn)而考察摩擦副的流體力學(xué)特點(diǎn)，預(yù)測(cè)混合潤(rùn)滑下特定滑動(dòng)速度和壓力下的磨斑。摩擦過程中，摩擦副的壓力一部分由潤(rùn)滑劑承擔(dān)，另一部分由摩擦副的直接接觸承擔(dān)；當(dāng)EP/FM添加劑加入到基礎(chǔ)油中后，潤(rùn)滑膜的形成對(duì)于減少表面磨損至關(guān)重要；滑動(dòng)點(diǎn)接觸條件下，在一定的速度和壓力下，磨斑將出現(xiàn)一個(gè)特定值，當(dāng)達(dá)到這個(gè)值后，磨斑在隨后的摩擦過程中不再增大，不同添加劑在同一基礎(chǔ)油中有不同值?？梢哉J(rèn)為：當(dāng)磨斑達(dá)到特定值后，作用于磨斑上的平均壓力等于化學(xué)膜的承載能力；在點(diǎn)接觸情況下，摩擦表面的直接接觸占有很大比重。如果表觀壓力等于摩擦副中較小的硬度，那么直接接觸近似于表觀接觸面積（圖12）；圖 12 液體石蠟+硫磷化合物潤(rùn)滑下的鋼球磨斑表面如果潤(rùn)滑過程中沒有化學(xué)膜形成，那么摩擦表面將非常粗糙（圖13）。可以認(rèn)為這時(shí)候相當(dāng)于干摩擦，直接接觸面積并不等于磨斑面積。圖 13 液體石蠟潤(rùn)滑下的鋼球磨斑表面當(dāng)添加劑在邊界潤(rùn)滑條件下，在摩擦表面生成化學(xué)膜后，膜的承載能力就決定了磨斑和摩擦系數(shù)的大小。在混合潤(rùn)滑狀態(tài)，滑動(dòng)速度較高的情況下，化學(xué)反應(yīng)膜承擔(dān)了部分的壓力，而流體效應(yīng)承擔(dān)了另外的壓力。當(dāng)滑動(dòng)速度增大時(shí)，流體效應(yīng)也提高；相反的，如果滑動(dòng)速度減小為0，則全部的壓力都由化學(xué)膜承擔(dān)，即壓力作用于鋼球的直接接觸點(diǎn)。由添加劑與金屬生成的反應(yīng)膜的承載能力應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)。如果這個(gè)理論正確，我們可以通過對(duì)壓力－滑動(dòng)速度變化曲線進(jìn)行外推得到每個(gè)添加劑所生成化學(xué)膜的承載能力。同時(shí)，當(dāng)摩擦副處于特定的壓力和滑動(dòng)速度的時(shí)候，磨斑也應(yīng)該保持在特定的數(shù)值（圖14，15）；圖 14 液體石蠟潤(rùn)滑下磨斑與滑動(dòng)距離的關(guān)系圖 15 加入5%羧酸鈣的液體石蠟潤(rùn)滑下磨斑與滑動(dòng)距離的關(guān)系由于流體效應(yīng)承擔(dān)的負(fù)荷隨著滑動(dòng)速度增大而增大，那么鋼球磨斑的特定值在速度較大時(shí)應(yīng)小于速度較低時(shí)（圖16）。根據(jù)以上的推論，可以得到表觀壓力與滑動(dòng)速度之間的關(guān)系曲線（圖17），表觀
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