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

本论文结合凝胶材料的流变调控特性以及纳米材料优异的润滑性能，设计制备了面向摩擦学领域应用的纳米-凝胶复合材料，核心思想是利用凝胶体系的微纳米尺度网络结构限制纳米润滑相的团聚沉降行为，实现纳米相润滑活性的长效性，并在摩擦接触区剪切作用下通过凝胶体系的剪切稀化行为将纳米润滑相“智能”释放，从而实现纳米材料长期稳定性与高效润滑性的统一。基于以上思路，本论文利用成胶性能优异的凝胶因子和润滑机理明确的纳米材料，发展了WS₂纳米片强化的1-甲基-2,4-二（N-十八烷基脲）苯（MOB）体系（MOB-WS₂）、TiO₂纳米颗粒强化的MOB体系（MOB-TiO₂）、LaF₃纳米颗粒强化的十二羟基硬脂酸（12-HSA）体系（HSA-LaF₃）及h-BN基超声响应体系（BTO纳米凝胶）四种分散均一性高、机械稳定性强、润滑性能优异的纳米-凝胶复合材料，在研究凝胶型润滑剂结构-流变学-润滑性能关系的基础上，通过成分设计、制备条件调控、凝胶因子基础结构创新实现纳米-凝胶复合材料两相界面相容性和润滑性能协同性，阐述了纳米-凝胶复合润滑材料设计和制备过程中的共性问题。主要结论如下：

（1）以季戊四醇油酸酯（PE-OA）、聚乙二醇400（PEG400）、液体石蜡（LP）三种基础油作为酯类、醚醇类、烷烃类基础油的代表，以N-十八烷基-D-葡萄糖酰胺（NOG）为凝胶因子，制备了三种不同极性基础油的凝胶体系。研究发现所制备的凝胶体系均表现出剪切稀化的流变特性，而摩擦过程中NOG通过摩擦化学反应生成由有机氧化物，铁氧化物、氮氧化物和硝酸盐组成的边界润滑膜是其主要摩擦学机制，且凝胶因子含量对凝胶体系的摩擦学性能有显著影响，在最优含量下基础油的摩擦学性得到显著提升，这缘于该含量在满足形成有效边界润滑膜对NOG浓度需求的同时，保证凝胶体系在摩擦界面的流动性；此外，NOG凝胶因子的摩擦学影响对非极性基础油更为显著。

（2）以PAO8、PAO10、液体石蜡（LP）作为非极性润滑油，具有优异成胶性能的MOB和12-HSA为凝胶因子，WS₂纳米片以及修饰和非修饰的TiO₂、LaF₃纳米颗粒作为纳米强化相设计制备了PAO8-MOB-WS₂、PAO10-MOB-TiO₂、LP-HSA-LaF₃三种纳米-凝胶复合材料体系。通过对纳米相在凝胶体系中的分散性研究发现，凝胶化设计促进纳米相在凝胶体系中的分散稳定性，而纳米相表面修饰是实现纳米-凝胶复合润滑材料高界面相容性的有效方式；对于纳米-凝胶复合体系的摩擦学性能研究发现，凝胶化设计通过固定作用和剪切稀化行为，实现纳米相在凝胶体系中的长期稳定性和在摩擦接触区的“智能”释放，从而确保纳米相润滑性能的长效性和高效性，同时凝胶因子可以在摩擦界面参与摩擦化学反应膜的构筑；而纳米相主要依据自身润滑效应，如WS₂纳米片层间滑移、TiO₂纳米颗粒摩擦界面修复效应、LaF₃纳米颗粒的摩擦化学反应，发挥润滑作用，最终，实现凝胶因子和纳米润滑相的润滑协同作用，赋予纳米-凝胶复合材料体系优异的多工况适应性。

（3）围绕LP-HSA-LaF₃纳米-凝胶复合体系，系统研究了凝胶形成过程中超声分散处理对凝胶网络形貌、两相分散均一度、凝胶结构稳定性以及摩擦学性能的影响规律。对于纯凝胶体系，凝胶化过程中的超声处理对凝胶体系的机械性能影响不大，但在凝胶化过程完成后，持续的超声处理会导致12-HSA胶体结构机械性能降低；与静置冷却凝胶化过程形成的纤维结构相比，超声作用下形成的纤维结构更为细小，进而导致两者的润滑性能产生明显差异，其中，粗纤维结构的12-HSA凝胶在赫兹接触应力为620 MPa时润滑性能更好，而细纤维结构的12-HSA凝胶在赫兹接触应力为752 MPa时表现出更优的润滑性能，这缘于随着载荷的增加，12-HSA凝胶体系的润滑机制从纤维结构物理承载向摩擦化学反应膜的生成转变；对于纳米-凝胶复合材料，超声处理虽然可以提升纳米相在凝胶体系中的分散均一性，但其机械稳定性与纯凝胶体系相比大幅降低，这归结于超声处理导致的细小纤维网络结构对纳米颗粒的包容性与承载能力的降低。

（4）基于π-π作用的非共价修饰策略对h-BN二维纳米材料进行表面改性，设计制备出新型超声响应型凝胶因子（BTO）。在超声作用下，BTO凝胶因子能使石油醚、十二烷、PAO10等不同粘度的非极性液体介质凝胶化，且所形成凝胶体系的相变行为在超声-搅拌下高度可逆；通过对干凝胶表面形貌及其立体结构的观察发现，凝胶化过程与BTO凝胶因子中h-BN核心形成的层层自组装有序结构有关，且其表面修饰的脲基结构有效地平衡了h-BN纳米片间及h-BN纳米片与非极性溶剂间的相互作用，促进了凝胶化过程的发生；流变学研究发现，BTO超声响应凝胶的机械性能随BTO凝胶因子浓度的增加而增强，随温度升高或时间延长而减弱，也具有剪切稀化性和蠕变-恢复性，是一种具有一定屈服强度的假塑性流体；对BTO凝胶构性关系的研究发现h-BN纳米片在液相中的层层自组装行为对其润滑性能至关重要，且凝胶化过程是提升其减摩抗磨性能的一种有效的方式；通过对BTO凝胶的摩擦学性能研究发现，这种纳米-凝胶复合润滑材料在常温、高温、高载等多工况下均表现出良好的减摩抗磨性能，这与h-BN纳米片良好的导热效应、BTO凝胶因子中有机修饰结构的摩擦化学反应和BTO凝胶有序的层层结构使其在摩擦副表面形成一层连续的物理保护膜有关。