固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

本论文针对Ti₃SiC₂材料兼具陶瓷和金属的特点，结合材料在特殊工况条件下使用的要求，进行润滑剂的设计和筛选，合成了可用于空间机械运动部件润滑的硅碳氢和含氟硅碳氢润滑油以及不同功能化的离子液体，利用SRV微动摩擦磨损试验机研究了它们作为Si₃N₄/Ti₃SiC₂摩擦副润滑剂的摩擦学性能及相关润滑机理，取得了以下主要研究结果：

1. 研究了常规离子液体L-B106和L-P106作为Si₃N₄/Ti₃SiC₂摩擦副润滑剂的摩擦学性能。试验结果表明：两种离子液体中，L-P106的润滑性能优于L-B106，同时L-P106的抗磨和减摩性能优于丙三醇；原因是在整个摩擦过程中离子液体中P、F元素的协同性优于B、F元素间的协同性，从而使其表现出更好的抗磨和减摩作用。磨斑表面分析结果表明：Ti₃SiC₂材料在摩擦初期受摩擦热作用形成了具有抗磨作用的SiO_x、TiO₂等化合物；摩擦过程中L-P106和L-B106离子液体中的活性元素(P(B)、F等)在Si₃N₄/Ti₃SiC₂摩擦副表面发生的摩擦化学反应，生成了包含有氟化钛、磷酸钛或硼酸钛的边界润滑膜，进而起到了降低摩擦磨损的作用。

2. 设计合成了不同链长的烷基咪唑磷酸酯离子液体，考察了其作为Si₃N₄/Ti₃SiC₂摩擦副润滑剂的摩擦学性能。结果表明：烷基咪唑磷酸酯离子液体的润滑性能优于丙三醇和磷酸三正丁酯；另外，烷基咪唑磷酸酯离子液体中短链的烷基取代有利于降低离子液体自身粘度从而降低摩擦系数，长链的烷基取代有利于增加离子液体在摩擦过程中形成边界润滑膜的厚度从而提高润滑剂的抗磨损性能。磨斑表面SEM和XPS分析结果表明：烷基咪唑磷酸酯离子液体在磨斑表面受摩擦剪切作用发生分解，并与Ti₃SiC₂材料发生了复杂的摩擦化学反应，生成了一层含有TiO₂，SiO_x，氮氧化物，Ti₃(PO₄)₄以及部分磷酸酯阴离子吸附物等物质的边界润滑膜，从而有效地降低了摩擦和磨损。

3. 利用原位方法设计合成了四种二元锂盐离子液体[Li(OZO)]TFSI，[Li(urea)]TFSI，[Li(G3)]TFSI，[Li(G4)]TFSI，考察了其作为Si₃N₄/Ti₃SiC₂摩擦副润滑剂的摩擦学性能。结果表明：[Li(urea)]TFSI具有较高耐热挥发性能和最好的抗磨损性能。磨斑表面分析结果表明，由于锂盐离子液体中含有杂环以及酰胺结构基团，这些基团在摩擦过程中受到摩擦剪切作用发生了摩擦化学反应，生成了含有钛氧化物，TiF₄及Ti(SO₄)₂，SiO₂等物质的边界润滑膜，使其在摩擦过程中表现出较好的减摩和抗磨性能。此外，还考察了锂盐离子液体作为不同酯类润滑油添加剂的摩擦学性能。结果表明，酯类油的润滑性能与酯类油分子结构中酯基数目以及酯化羧酸碳链的长短有关，即酯基数目越多且酯化羧酸碳链越长，润滑性能越好，几种酯类油中季戊四醇油酸酯(PET-OA)具有最好的减摩和抗磨性能；锂盐离子液体添加到PET-OA中在高温条件下(150 ℃)表现出一定的减摩和抗磨损作用，这一方面是因为高温条件有利于Ti₃SiC₂材料表面生成含有SiO₂和TiO₂的+物质从而提高了材料抗磨损能力；另一方面是锂盐离子液体中的Li与酯类油PET-OA中的[O:]发生了重新配位从而起到了润滑作用。

4. 设计合成了不同烷基链取代的五种硅碳氢润滑油(SiCH)和含氟三硅碳氢润滑(SiFCH)，考察了它们的理化性能及作为钢/钢摩擦副的润滑剂在真空和大气条件下的摩擦学性能，同时考察了其作为Si₃N₄/Ti₃SiC₂材料摩擦副润滑剂的摩擦学性能。结果表明：SiCH润滑油和SiFCH润滑油具有较好的耐高低温性和较低的饱和蒸气压；两种润滑剂真空条件下的润滑性能优于MACs和PFPE-Z25润滑油，含氟取代基团的引入有利于降低润滑油分子的挥发性能，并改善了润滑油的润滑性能和耐原子辐照性能；作为Si₃N₄/Ti₃SiC₂材料摩擦副的润滑剂，在高温100 ℃条件下，SiFCH润滑油同样具有较好的润滑性能，生成了含有TiF₄等物质的边界润滑膜，从而起到有效的润滑作用。