1,3-二酮类润滑剂的表征与流变学测试开题报告

1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）

摩擦力为零或趋近于零的润滑系统被认为处于“超滑”状态，超滑技术是减少摩擦、防止磨损问题的一个重要发展方向。然而，目前所研究的超滑材料受环境因素、摩擦副材料和尺度的影响较大，离实际应用尚有较大距离。针对一种可以在钢铁表面可实现超滑（μ≈0.005）的1,3-二酮类新型合成润滑剂，本课题通过系统性的表征和测试，研究其化学活性、热稳定性、粘温特性、粘压系数等相关性质，为此润滑剂的应用提供基础。

1.1本课题研究背景

在机械系统中，包括动力单元，连接机构和执行机构，广泛存在着零部件之间的摩擦和磨损。这些摩擦和磨损会造成大量的能量损耗和机械零部件的失效，从而影响机械设备的使用效率和寿命。更为严重的是，当出现润滑失效和过度磨损时，还会造成恶性的机械事故。据统计，摩擦消耗掉全世界三分之一的一次性能源，约有80%的机械零部件都是因为磨损而失效，而且50%以上的机械设备的恶性事故都是起因于润滑失效。在大多数发达的工业国家，比如美、日、英、德、等，每年与摩擦和磨损相关的能量耗散和材料损失费占到整个国民生产总值的2%~7%，而在中国，每年因摩擦磨损造成的损失占中国国民生产总值的4.5%。按中国2013年国民生产总值58万亿元计算，中国2013年摩擦磨损造成的损失约为2.6万亿元。因此，在当前中国的能源缺口越来越大，装备制造业在国民经济中的作用越来越强的情况下，改善机械零件之间的摩擦状态并有效降低摩擦系数就显得尤为重要，这对中国走新型工业化道路、建设循环经济、实现节能减排的发展战略具有十分重要的实现意义。

润滑剂是用具有润滑性的一层膜把相对运动的两个表面分开，以防止这些固体表面的直接接触，并使滑动过程中表面间的摩擦阻力尽可能减小，表面的磨损尽量减低。因此通过润滑剂能够来研究超滑的发展方向。润滑状态分为三类:（1）边界润滑(BoundaryLubrication)是由液体摩擦过渡到干摩擦（摩擦副表面直接接触）过程之前的临界状态。是不光滑表面之间，发生部分表面接触的润滑状况。此时润滑油的总体粘度特性没有发挥作用。这时决定摩擦表面之间摩擦学性质的是润滑剂和表面之间的相互作用及所生成的边界膜的性质。（2）混合润滑是指流体润滑和边界润滑的组合，即法向载荷由流体润滑膜和边界膜共同承担，摩擦力则包括流体阻尼和边界摩擦分量。（3）流体润滑是在适当条件下，摩擦副的摩擦表面由一层具有一定厚度的粘性流体完全分开，由流体的压力来平衡外载荷。流体层中的分子大部分不受金属表面离子、电子场的作用而可以自由地移动；流体润滑的摩擦性质完全取决于流体的粘性，而与两个摩擦表面的材料无关。

1.2本课题发展状况及发展方向

1.2.1超滑简介

超滑是指两个表面之间的摩擦力接近零的润滑状态。

因此，从理论上来说，超滑可以实现近零摩擦和近零磨损。

但是实际上，由于摩擦系统各种因素的干扰和测量极限的限制，通常将摩擦系数到达0.001量级或更低时的润滑状态称之为超滑。

在20世纪90年代初，日本学者Hirano和Shinjo通过理论计算发现两个晶面在某些特定的表面和方向上发生相对运动时，摩擦力会完全消失，这就是所谓的“超滑状态”。

但是当两个滑动表面的晶体尺度和取向完全相同时，即微观结构处在公度状态，超滑状态会消失，这是最早从理论上研究超滑存在的可能性。

随后，来自不同领域的研究学者对超滑进行了深入的研究，并取得了一系列的成果。

因为超滑技术能实现比常规润滑剂小一个数量级以上的摩擦系数，所以未来超滑技术在传统机械工程领域和微纳米机械系统领域有着巨大的应用价值，比如将超滑技术应用在汽车发动机里的气缸、齿轮和轴承上，就能使汽车的用油效率提高好几倍。

此外在航天领域，如果将超滑技术应用在空间活动部件上，就能够大大提高航天器的稳定性和使用寿命。

总之，超滑技术作为一个提高运动系统能量利用率最有效的方法，必将在未来几十年里得到大力发展。

1.2.2超滑材料的研究进展

按照润滑材料的分类，目前超滑主要分为固体超滑、水基超滑和油基超滑：固体超滑是沉积在表面上的固体润滑涂层。

最早发现具有超滑特性的固体润滑剂是二硫化钼，它具有六边形的层状结构，并且层与层直接的剪切强度很小。

法国学者Martin等用二硫化钼在真空的条件下能够获得小于0.002的超低摩擦系数。

通过高倍透射电镜可以看到二硫化钼磨粒在摩擦副表面形成了整齐的花纹结构，这表明二硫化钼磨粒中存在重叠的二硫化钼晶体，并且这些晶体之间具有一个旋转角度。

因此，在晶体相互运动的过程中，沿着硫含量高的基面，摩擦力成各向异性，这是二硫化钼具有超滑特性的根本原因。

但是二硫化钼只能在高真空中或者惰性气体的保护下才能实现超低摩擦系数。

与二硫化钼类似的另一种固体润滑剂是石墨。

它具有层状结构，与二硫化钼的结构很相近，并且层与层之间的相互作用力（范德华力）很微弱。

在自然条件下，石墨和其他材料间的摩擦系数在0.08~0.18之间，但是Mate等发现石墨与石墨之间在特定运动条件下可以实现超滑。

他们在摩擦力显微镜上使钨针在高定向裂解石墨的表面上滑动(载荷100Nn)，获得了0.005的超低摩擦系数。

实验研究表面，石墨实现超滑时两个石墨片位于非公度接触状态。

最近，清华大学郑泉水课题组成功实现两个大面积石墨片（10um×10um）之间的超滑。

他们发现当两个高定向热解石墨片之间处于非公度接触时，石墨片会发生自缩回的现象，这表明石墨之间的摩擦系数很低。

除二硫化钼和石墨之外，还有一种常见的固体润滑剂也具有超滑的特性，即类金刚石薄膜（DLC）。

美国阿贡国家实验室Erdemir等对DLC膜的超滑特性进行了大量的实验研究，发现用高含氢量的DLC膜可以实现0.001的超低摩擦系数。

近年来，一些学者在氢气氛围下测量DLC膜的摩擦系数，发现只要接触区附近有足够的氢气，无论DLC膜里的氢含量有多滴，总能实现很低的摩擦系数。

这些实验结果表明氢原子在DLC膜实现超滑的过程中起到关键作用。

他们认为氢原子与碳原子相结合并形成带正电荷的滑移面，这些滑移面之间具有很弱的范德华力及很强的静电斥力，从而导致很低的摩擦系数。

水基超滑：聚合物分子刷，即高分子聚合物的极性端头嫁接到表面上，长链的另一端漂浮在水中，形成一层“分子刷”。

从20世纪90年代起，以色列学者Klein等用表面仪对聚合物分子刷的超滑特性进行了大量的研究。

他们发现，用水作为润滑剂，带电的聚合物相比其他聚合物具有更好的润滑特性，可以在压强为0.3MPa的条件下实现小于0.0006的超低摩擦系数。

他们认为带电聚合物形成的分子刷层里存在大量带相反电荷的运动离子，这些离子产生的抑制分子刷之间相互贯穿的电势就会比中性分子刷强很多，所有带电分子刷之间的相互贯穿就能得到抑制，这就大大减少了能量耗散，从而降低了系统的摩擦阻力。

但是，对聚合物分子刷而言，它只能在表面力仪上获得超滑，在宏观条件下很难实现超滑，因此它在机械系统上的应用受到很大的限制。

在宏观水基超滑领域取得一系列的研究，在载荷为3N(最大接触压力为700MPa),线速度为0.057m/s的条件下，用PH=1.5的磷酸溶液作为润滑剂，在氮化硅和玻璃之间获得0.004的超低摩擦系数。

可以发现磷酸超滑的实现需要一个磨合过程，即从0s到220s摩擦系数快速下降的过程（第一阶段）和从220s到580s摩擦系数缓慢下降的过程（第二阶段）。

磨合期结束后，摩擦系数一直稳定在0.004。

并且如果我们将氮化硅和玻璃摩擦副换成蓝宝石和蓝宝石，这样接触压力可以增加到1GPa，结果发现磷酸溶液仍可以实现超滑。

根据磷酸超滑模型，可以推断超滑的实现至少需要满足两个条件：①氢离子，它能够吸附在摩擦副表面带电并形成stern层；②氢键作用，它能够形成氢键网络结构并将水分子固定在接触区里。

油基材料是工业中应用最为广泛的润滑剂，但相比于固体超滑和水基超滑，油基超滑研究的发展较为缓慢。

在理论方面，油基超滑被认为与润滑薄膜的分子有序性密切相关，雒建斌等提出了几个有利于超滑的条件：（1）尽可能减少固体间的机械摩擦；（2）润滑剂分子与基体表面形成牢固的结合；（3）润滑剂分子形成有序排列。

在薄膜润滑理论模型的基础上，张向军等对HVI500基础油进行了流变学模拟研究。

结果表明当润滑剂分子与固体表面的界面作用较强、且润滑剂分子间相互作用较强时，可以实现极低的摩擦系数。

而针对不同的油基材料，国内外其他学者也得到了相似的研究结果。

Jabbarzade通过分子动力学模拟发现当十二烷在两固体表面之间形成6分子层厚的薄膜时，在流体剪切作用下，分子有序排列且有效粘度大幅下降，从而得到极低的摩擦系数。

Granick的仿真研究也发现在非常光滑的云母表面，具有分子取向的异三十烷薄膜可以实现超滑。

此外，张晨辉等发现硅油在用磷酸溶液抛光后的蓝宝石表面可以实现极低的摩擦系数，其超滑特性取决于压力和粘压系数的关系。

但总体而言，对于油基超滑的研究目前仍主要集中在仿真和模拟方面，特别是缺少针对常规摩擦副材料和宏观工况的实验性研究。

综上所述，由于摩擦副材料、使用环境或工况条件的限制，目前的超滑材料与工业的实际应用仍存在一定的距离。

研究新型超滑材料，是发展超滑技术的关键。

2、基本内容和技术方案

（1）查找资料，了解超滑的现状及运用到实际的意义；

（2）了解国内外超滑的发展现状；

（3）对1,3-二酮类润滑剂进行红外光谱、紫外光谱、密度测试等表征；

（4）利用流变仪进行流变学测量研究（粘度随剪切速率、温度、压力的变化）

（5）通过研究表明超滑未来的发展方向；

3、进度安排

第1～3周：英译汉，字数5000以上。查找和阅读相关文献，注意专业词汇的积累，初步认识重整技术所需的实验设备以及设备的名称和用途，了解超滑（润滑剂）的研究现状和发展前景。

第4周：完成译文和开题报告。在此基础上，对超滑有一个比较系统的认识，以便设计顺利的开展。

第5～10周：完成的1,3-二酮类润滑剂的表征研究。

第11～12周：撰写毕业设计论文。在撰写过程中，要紧密联系实验数据，做要有理有据，是文章更具说服力。

第13～15周：论文初稿交给指导教师审阅，然后修改定稿，装订成册。

第16周：论文交评阅教师审阅。

第17周：毕业答辩。

参考文献

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