| 基于离子液体吸湿行为下的摩擦学特性研究 | |
| 巴召文 | |
| Thesis Advisor | 冯大鹏 ; 梁永民 |
| 2020-08-31 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 离子液体 吸湿行为 润滑行为 作用机制 Ionic liquids Hygroscopicity Tribological properties Lubricating mechanism |
| Abstract | 离子液体因其独特的结构、优异的理化特性，在润滑领域中大放异彩，但是在使用、存储过程中，大多数离子液体存在一定的吸湿行为。离子液体在使用过程中吸收水蒸气必然引起粘度、密度、溶解性、表界面行为、电导率及催化等物理化学性质的变化，从而引起离子液体润滑性能的改变。因此，有必要探索离子液体吸湿行为对其理化性能、润滑性能的影响，并总结其影响机制，以期建立离子液体吸湿行为与其润滑性能之间的定性表达，为离子液体的实际应用提供重要的理论依据和技术指导。基于此，本文通过研究不同结构离子液体的吸湿行为对润滑性能的影响及机制，得到以下成果： 1. 选用四种卤素咪唑型离子液体作为研究对象，探究了其吸湿行为对理化性能、腐蚀性能及润滑性能的影响。利用计算模拟和实验相结合的方法，探讨了离子液体吸湿行为对其润滑性能的影响机制。研究结果表明，低吸湿量的氯离子液体由于在钢表面存在较好的成膜能力，展现出较低的摩擦系数。但由于摩擦过程中伴随有HCl生成使其展现出较高的磨损量。对于高吸湿量的氯离子液体和吸湿后的溴离子液体由于其在钢表面的成膜能力较差，其所对应摩擦学性能相对较差。 2. 分别选用具有六种不同阴离子结构的咪唑型离子液体（包括三种疏水性离子液体和三种亲水性离子液体）作为研究对象，探究了其吸湿行为对摩擦学性能的影响。研究结果表明，吸湿后的亲水性离子液体与纯离子液体相比，其摩擦学性能明显变差；而对于吸湿后的疏水性离子液体其摩擦系数没有明显变化。采用SEM、XPS、分子动力学等手段对其润滑机制进行研究，结果发现吸湿后的亲水性离子液体，其阴、阳离子与引入的水分子在钢基底表面形成了边界润滑膜。而润滑膜中水分子的存在会导致摩擦不稳定及腐蚀磨损。对于吸湿后的疏水性离子液体，离子液体会优先吸附在钢表面，从而形成边界润滑膜，而“吸入”的水分子主要存在于边界润滑膜的表面，对边界润滑膜影响不大。此外，吸湿后的[BMIM][PF6]和[BMIM][BF4]与水发生化学反应产生HF，其会对钢表面造成一定程度的腐蚀，从而造成比较严重的腐蚀磨损。 3. 考察了具有四种不同阳离子结构的（咪唑、吡啶、季铵盐、季鏻盐）磷酸酯型离子液体的吸湿行为与润滑性能的关系。研究表明，吸湿后的咪唑离子液体、吡啶离子液体与纯离子液体相比，在氢键作用下阳离子与水分子发生相互作用致使其与基底的反馈π键的能级增加，以及其在钢基底所形成边界润滑膜的强度变低，因此吸湿后的咪唑离子液体、吡啶离子液体摩擦学性能变差。而吸湿后的季鏻、季铵离子液体与纯离子液体相比摩擦系数变低，主要归因于在水分子的作用下粘度大幅度降低，而这种粘度的降低是对摩擦有利的。 4. 选用具有四种不同极性官能团的功能化离子液体作为研究对象，研究了其吸湿行为对润滑性能的影响。摩擦实验结果表明，吸湿后的功能化离子液体与纯离子液体相比，在室温条件下表现出较差的润滑性能；而在高温条件下展现出优异的抗腐蚀和润滑性能。这是由于在高温条件下本属于离子液体的活性位点被水分子所占据，以及在水分子的作用下使功能化离子液体转化为对摩擦有利的酰胺结构。 5. 研究了吸湿前后咪唑离子液体的理化性能与摩擦系数的相关性，以及腐蚀性能与磨损性能的相关性。结果表明，高、中高吸湿区域的离子液体及功能化离子液体的摩擦系数与粘度、润湿性能表现出较好的相关性，因而可以通过研究离子液体吸湿前后的粘度与润湿性能的变化，以预测摩擦系数的变化。而对于中低、低吸湿区域的离子液体，通过研究吸湿前后的润滑性能（铺展系数）的变化，可确定摩擦系数的变化。同时，通过腐蚀性能与磨损性能相关性研究，可预测吸湿前后离子液体的磨损性能变化。 |
| MOST Discipline Catalogue | 理学 ; 物理化学 |
| Pages | 131 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27365 |
| Collection | 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 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 巴召文. 基于离子液体吸湿行为下的摩擦学特性研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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