中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

    固体-液体复合润滑技术是通过利用固体润滑材料与液体润滑材料间的协同效应，来提高润滑效果，改善极端工况下材料摩擦磨损的一种重要手段。类金刚石（DLC）薄膜具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损和自润滑等特性，在机械部件的减摩抗磨损方面展现出巨大的应用潜力。然而，由于DLC薄膜特殊的表面物理化学特性，其在液体润滑剂中表现出与传统金属摩擦副迥异的摩擦磨损行为。因而，有关DLC油润滑行为及其固-液协同润滑机制的研究成为近年来DLC摩擦学研究领域内的一个热点问题。本论文针对目前在DLC固-液润滑研究中存在的不足与实际应用的需要，分别从基础油和润滑添加剂两个方面，研究了影响DLC油润滑行为的关键因素，为基于DLC薄膜的固-液复合润滑材料体系的设计奠定了研究基础；从实际应用角度出发，考察了润滑油污染物对DLC固-液复合润滑体系服役性能的影响，为实现DLC固-液复合润滑体系的长效润滑保障提供了可行的技术思路，取得以下主要研究结果：

    1.通过考察DLC薄膜在酯类油、碳氢油和醇这三类典型液体润滑介质中的摩擦学行为，发现所用DLC薄膜在所考察润滑介质中均表现出较好的稳定性及亲和性，但摩擦行为则表现出了较大的差异，受液体润滑介质的极性、粘度与摩擦副形式的综合影响。通过对以上影响因素的系统分析，我们发现液体润滑剂与DLC薄膜和钢之间不同的固/液界面作用是导致DLC特殊油润滑行为的核心原因。

    2.通过研究DLC薄膜与二甲基硅油的协同润滑行为，发现钢/DLC摩擦副在二甲基硅油中表现出特殊的低摩擦及DLC薄膜结构失稳现象。DLC的结构失稳源于硅油中钢与DLC接触界面的初始高黏着，而低摩擦在于摩擦稳定期硅油分子自由基在DLC表面的化学吸附；通过考察硅油粘度、分子结构及DLC薄膜表面化学态对黏着行为的影响，作者首次提出优化DLC薄膜在硅油中摩擦学行为的关键在于降低摩擦副间的初始高黏着，并提供了有效的优化策略。

    3.研究了软质金属（Ag，Sn）纳米颗粒和硬质陶瓷氧化锆（ZrO₂）纳米颗粒作为添加剂在DLC固-液复合体系中的协同润滑效果；通过分析纳米颗粒对DLC薄膜表面化学成分、机械性能以及表面微观拓扑结构的影响，发现纳米颗粒对DLC摩擦副的摩擦学机制主要依赖于―纳米轴承‖和―纳米填充‖等物理效应，与纳米颗粒的剪切成膜关系不大。相比软质纳米材料（Sn和Ag），纳米ZrO₂的减摩抗磨效果最为突出，其中纳米ZrO₂对DLC薄膜表面的―抛光‖行为是纳米颗粒的―纳米轴承‖机制得以充分发挥的关键。

    4.针对酯类润滑油在使用过程中，由于自身氧化、降解等原因造成酸值升高的现象，本文研究了酸值对DLC薄膜摩擦学行为的影响，通过对比钢/钢、钢/DLC和DLC/DLC三种摩擦副摩擦磨损性能随基础油酸值的变化规律，发现体系中的有机酸对DLC自配副的摩擦性能有一定的提升；但钢/DLC的配副形式对润滑体系中有机酸的耐受性很低，酸值的升高会导致其中钢对偶的严重磨损，从而可能造成机械系统的丧精失效。由于在实际使用中，钢/DLC是最常用的配副形式，作者提出在设计针对钢/DLC摩擦副使用的液体润滑剂时，抗氧剂和可清除有机酸的清洁剂较减摩抗磨类添加剂更为关键。

    5.润滑油中的固体污染物是加剧运动部件磨损、降低设备运行稳定性的重要因素之一。本文利用亚微米尺寸的硬质金属W颗粒模拟润滑油中的固体污染物，通过研究硬质污染颗粒对DLC薄膜润滑行为的影响，发现不同机械性能的DLC薄膜对硬质磨粒有着不同的摩擦学响应，通过分析磨粒在DLC摩擦界面的接触形式、运动状态以及DLC薄膜表面的成分变化，作者探讨了油润滑下DLC薄膜的三体磨损机制，并提出硬质污染微粒存在下，提升DLC固-液复合润滑体系服役可靠性的技术手段。