韓云燕,喬 旦,李 謹(jǐn),凡明錦*,馮大鵬*

(1.寶雞文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 寶雞 721013;2.中科院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000)

全氟聚醚(PFPE)是一類高性能的合成潤滑劑，其分子結(jié)構(gòu)中只含有C、O和F三種元素，室溫下為無色無味液體，是一類比較特殊的全氟高分子化合物.全氟聚醚的分子結(jié)構(gòu)與烴類潤滑油相似，只是用作用力更強(qiáng)的C-F鍵取代了C-H鍵[1]，具有低揮發(fā)性、較高的熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性、良好的化學(xué)惰性和絕緣性能，以及較寬的液體溫度范圍和優(yōu)異的黏溫特性[2]，目前廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、核工業(yè)以及計(jì)算機(jī)磁盤等領(lǐng)域[3-4].

工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展對潤滑劑的性能提出了更高的要求，常規(guī)全氟聚醚的潤滑性能漸漸不能滿足實(shí)際工況的需求，其分子結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致常規(guī)添加劑在其中兼容性很差，很難通過常規(guī)添加劑改善其潤滑性能.為了提高全氟聚醚的減摩抗磨性能，國內(nèi)外課題組致力于全氟聚醚的改性研究.例如，馮裕智等[5]通過硅氫加成制備了三類全氟聚醚硅氧烷，以提高其作為涂層的耐磨性；Kondo等[6]制備了端基基團(tuán)為羧酸銨鹽修飾的全氟聚醚，其作為磁性薄膜介質(zhì)，表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)全氟聚醚的摩擦性能和耐腐蝕性能.然而，目前全氟聚醚的改性研究主要集中于計(jì)算機(jī)磁盤領(lǐng)域，也是作為潤滑膜的研究.而全氟聚醚作為一種航空潤滑油，其潤滑性能也急需改善.

離子液體是在室溫或接近室溫下呈熔融狀態(tài)的離子化合物，通常由有機(jī)陽離子和有機(jī)/無機(jī)陰離子組成，整體呈電中性[7-8].離子液體不但具有極低的揮發(fā)性、高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)良的特性，其分子結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性也使其具有廣闊的應(yīng)用前景.自2001年中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首次將其用作潤滑劑研究，離子液體引起了摩擦學(xué)工作者的廣泛關(guān)注[9].目前，離子液體不但被廣泛用作不同材料的純潤滑劑[10-12]，也作為潤滑添加劑[7,13-14]和潤滑膜[15-16].

本文作者以全氟聚醚羧酸作為原料，通過季銨化反應(yīng)引入含氮化合物，設(shè)計(jì)制備出全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體，通過微動振動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和三維光學(xué)輪廓儀來綜合評定全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體在不同條件下的潤滑性能，與全氟聚醚(PFPE)和全氟聚醚羧酸(PFPEC)的潤滑性能進(jìn)行對比，并通過多種表征手段研究其潤滑作用機(jī)理.

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及制備及表征

全氟聚醚羧酸銨離子液體的制備參考文獻(xiàn)[6]，全氟聚醚(PFPE)為Solvay Fomblin產(chǎn)品，Y型，全氟聚醚羧酸(PFPEC)為太倉中化環(huán)?；び邢薰井a(chǎn)品，分子量在8 000左右.全氟聚醚羧酸與正丁胺反應(yīng)得到的產(chǎn)物用PF-BA表示，與二正丁胺反應(yīng)所得到的產(chǎn)物用PF-DBA表示，與三正丁胺反應(yīng)得到的產(chǎn)物用PF-TBA表示，潤滑劑的結(jié)構(gòu)式如圖1所示.

采用Nicolet IS 10型傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Fisher Scientific公司)表征全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體的結(jié)構(gòu).流變性能測試采用HAAK Reostress 6000流變儀，測試不同剪切速率下的剪切應(yīng)力以及黏度.

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦學(xué)性能測試采用SRV-V微動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦副采用球-盤接觸模式，上試球?yàn)镚Gr15鋼球，下試盤為軸承鋼盤或銅錫合金盤(Φ24 mm×7.9 mm).在進(jìn)行摩擦試驗(yàn)前，用石油醚分別清洗鋼球、鋼盤和銅錫合金盤，然后將適量潤滑劑滴加在摩擦副之間.鋼/鋼摩擦副的摩擦試驗(yàn)條件為載荷200 N，頻率25 Hz，振幅1 mm，時(shí)間30 min，測試溫度分別為25和100 ℃.鋼/銅錫合金摩擦副的摩擦試驗(yàn)條件為載荷100 N，頻率25 Hz，振幅1 mm，時(shí)間30 min，測試溫度分別為25和100 ℃.摩擦系數(shù)及接觸電阻在測試過程中由儀器記錄.摩擦試驗(yàn)結(jié)束后，清洗試樣，采用Bruker三維光學(xué)輪廓儀測定下試盤的磨損體積.

Fig.1 Chemical structures of the lubricants圖1 潤滑劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.3 表面表征

摩擦試驗(yàn)結(jié)束后，用石油醚和無水乙醇超聲清洗銅錫合金盤和軸承鋼盤，采用Quanta250掃描電鏡(SEM)觀察磨斑表面形貌，進(jìn)一步了解相關(guān)的潤滑機(jī)理，采用Thermo Scientific Nexsa X射線光電子能譜儀(XPS)表征磨斑表面元素的化學(xué)狀態(tài)，選用Al K α激發(fā)源，束斑大小100 μm，通過能量為100 eV，步長為0.1 eV，以污染碳的C1s結(jié)合能284.8 eV作為內(nèi)標(biāo).

潤滑劑在金屬表面的接觸角采用Biolin Scientific AB公司的Attension光學(xué)接觸角測量儀測試(Theta Lite)在室溫下進(jìn)行，接觸角的大小采用儀器自帶的OneAttension軟件分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑劑的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)

圖2所示為PFPEC、PF-BA、PF-DBA和PF-TBA四種潤滑劑的紅外(IR)譜圖.從圖2中可以看出，全氟聚醚羧酸銨離子液體的紅外譜圖在2 881和2 963 cm?1出現(xiàn)C-H伸縮振動峰，1 969 cm?1為C-O伸縮振動峰，1 316～1 116 cm?1為C-F伸縮振動峰，且C=O伸縮振動由反應(yīng)物PFPEC的1 775 cm?1移動到產(chǎn)物的1 687 cm?1，以及3 200～2 900 cm?1出現(xiàn)N-H伸縮振動峰，從而確定了全氟聚醚羧酸(PFPEC)與正丁胺(BA)、二丁胺(DBA)和三丁胺(TBA)三種物質(zhì)均發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了羧酸銨鹽.

Fig.2 IR spectra of perfluoropolyether carboxylic acid and perfluoropolyether ammonium carboxylate ionic liquids圖2 全氟聚醚羧酸以及全氟聚醚羧酸銨離子液體的紅外圖譜

圖3(a)所示為PFPEC、PF-BA、PF-DBA和PF-TBA四種潤滑劑的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線.由圖3(a)可知，隨著剪切速率的增大，四種潤滑劑的剪切應(yīng)力均增大，且同一剪切速率下，三種離子液體的剪切應(yīng)力均大于全氟聚醚羧酸，而三種離子液體中，陽離子烷基鏈越少(N-H鍵越多)，其剪切應(yīng)力越大.圖3(b)所示為四種潤滑劑的黏度隨剪切速率的變化曲線圖.從圖3(b)中可以看出，隨著剪切速率的增大，四種潤滑劑的黏度均逐漸減小，同一剪切速率下，這幾種潤滑劑的黏度大小順序?yàn)镻F-BA > PF-DBA > PF-TBA >PFPEC.從結(jié)果可以看出，全氟聚醚與胺形成離子液體后，其黏度增加，且銨鹽結(jié)構(gòu)中含的N-H鍵越多，其黏度越大，這主要是因?yàn)殛栯x子中的N-H鍵易與全氟聚醚羧酸陰離子形成氫鍵，N-H鍵越多，分子間的作用力越強(qiáng)，從而其黏度越大.但是隨著剪切速度的加大，其黏度下降較快，這可能歸因于較大的剪切速率能夠破壞或者阻止氫鍵的形成.

2.2 潤滑劑在金屬表面的潤濕性

潤濕性是表征潤滑劑在金屬表面形成穩(wěn)定吸附膜的1個(gè)重要性質(zhì)，而接觸角是用來表征潤滑劑潤濕性的重要參數(shù)，接觸角越低，潤濕性越好[17].因此，測量潤滑劑在兩種不同金屬表面的接觸角可以表征其潤濕性.

Fig.3 (a) Shear stress and (b) viscosity of perfluoropolyether carboxylic acid ammonium ionic liquid lubricants vary with shear rate圖3 全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體潤滑劑的(a)剪切應(yīng)力及(b)黏度隨剪切速率的變化

圖4所示為五種潤滑劑在銅錫合金表面的接觸角，從圖4中的接觸角可以看出，幾種潤滑劑在銅錫合金表面均具有良好的潤濕性(接觸角遠(yuǎn)小于90o).其中，全氟聚醚(PFPE)在銅錫合金表面的接觸角最小，全氟聚醚羧酸(PFPEC)的接觸角最大，將全氟聚醚羧酸制備成離子液體后，其在銅錫合金表面的接觸角降低，潤濕性能有所提高.

圖5所示為五種潤滑劑在軸承鋼表面的接觸角，可以看出，這幾種潤滑劑在軸承鋼表面同樣具有良好的潤濕性，其中PFPE接觸角略高于其他潤滑劑.相比于全氟聚醚羧酸，三種離子液體的接觸角略有降低，且離子液體中的烷基鏈越多，其接觸角越小.

2.3 全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體對鋼/銅錫合金摩擦副的潤滑性能

2.3.1 室溫下的潤滑性能

圖6所示為常溫(25 ℃)下鋼/銅錫合金摩擦副在不同潤滑劑潤滑下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線[圖6(a)]和試驗(yàn)后銅錫合金盤表面的平均磨損體積以及平均摩擦系數(shù)[圖6(b)].從圖6可以看出，三種離子液體的摩擦系數(shù)和磨損體積與對照樣PFPE和PFPEC相差不大.其中，全氟聚醚羧酸(PFPEC)的摩擦系數(shù)最大，其次是PF-BA離子液體，PF-DBA、PF-TBA和PFPE摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線幾乎重合.PF-BA的平均磨損體積最大，而PF-DBA的磨損體積最小.綜合以上的分析結(jié)果可以看出，與PFPE和PFPEC相比，常溫下三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體對鋼/銅錫合金摩擦副的潤滑性能略有提高.

2.3.2 高溫下的潤滑性能

潤滑劑在高溫(100 ℃)條件下對鋼/銅錫合金摩擦副的潤滑性能如圖7所示.從圖7(a)可以看出，試驗(yàn)開始階段(300 s之前)，PFPE的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間急劇增大，300 s后基本穩(wěn)定在0.18～0.20之間；PFPEC的摩擦系數(shù)在摩擦試驗(yàn)階段前300 s逐漸增大，最后穩(wěn)定在0.14左右，而三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體的摩擦系數(shù)較為平穩(wěn)，保持在0.11～0.13之間.從圖7(b)可以看出，與PFPE相比，PFPEC和三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體對鋼/銅錫合金的平均磨損體積減小了70%以上.而三種離子液體與全氟聚醚羧酸相比磨損體積也略有下降.綜上所述，在高溫條件下，三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體對鋼/銅錫合金均表現(xiàn)出顯著優(yōu)于全氟聚醚的潤滑性能.

Fig.4 Contact angles of the lubricants on tin bronze alloy surfaces圖4 潤滑劑在銅錫合金表面的接觸角

Fig.5 Contact angles of the lubricants on steel surfaces圖5 潤滑劑在軸承鋼表面的接觸角

Fig.6 (a) Friction coefficient change with time,(b) mean wear volume and mean friction coefficient of different lubricants under 25 ℃ (steel/tin bronze friction pairs)圖6 不同潤滑劑在25 ℃時(shí)(a)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線及(b)平均磨損體積和平均摩擦系數(shù)(鋼/銅錫合金摩擦副)

Fig.7 (a) Friction coefficient change with time,(b) mean wear volume and mean friction coefficient of different lubricants under 100 ℃ (steel/tin bronze friction pairs)圖7 不同潤滑劑在100 ℃時(shí)，(a)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線及(b)平均磨損體積和平均摩擦系數(shù)(鋼/銅錫合金摩擦副)

2.4 全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體對鋼/鋼摩擦副的潤滑性能

2.4.1 常溫下的潤滑性能

圖8所示為常溫(25 ℃)下鋼/鋼摩擦副在不同潤滑劑潤滑下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線[圖8(a)]和試驗(yàn)后鋼盤表面平均磨損體積以及平均摩擦系數(shù)對比圖[圖8(b)].從圖8(a)可以看出，總體上五種潤滑劑的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化均比較平穩(wěn)，全氟聚醚(PFPE)的摩擦系數(shù)是這五種潤滑劑中最小的，全氟聚醚羧酸和全氟聚醚羧酸銨離子液體的摩擦系數(shù)接近.相比PFPE和PFPEC，三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體的磨損體積減少了60%～70%[圖8(b)].從以上結(jié)果可以看出，常溫下作為鋼/鋼摩擦副的潤滑劑，全氟聚醚羧酸銨離子液體比全氟聚醚和全氟聚醚羧酸表現(xiàn)出更為優(yōu)異的抗磨性能.

Fig.8 (a) Friction coefficient change with time,(b) mean wear volume and mean friction coefficient of different lubricants under 25 ℃ (steel/steel friction pairs)圖8 不同潤滑劑在25 ℃時(shí)，(a)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線及(b)平均磨損體積和平均摩擦系數(shù)(鋼/鋼摩擦副)

2.4.2 高溫下的潤滑性能

圖9所示為高溫(100 ℃)下幾種潤滑劑的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線圖和試驗(yàn)后鋼盤表面的平均磨損體積以及平均摩擦系數(shù)對比圖.從圖9(a)中可以看出，全氟聚醚(PFPE)和全氟聚醚羧酸(PFPEC)在試驗(yàn)初期具有較長的磨合期，摩擦試驗(yàn)初期摩擦系數(shù)波動較大，而三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化較為平穩(wěn)，且三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體的摩擦系數(shù)明顯低于PFPE和PFPEC.從圖9(b)可以看出，相比于PFPE和PFPEC，三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體的磨損體積減少了70%～80%.由此可見，在高溫下作為鋼/鋼摩擦副的潤滑劑，全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體比全氟聚醚和全氟聚醚羧酸具有更為優(yōu)異的減摩抗磨性能.

Fig.9 (a) Friction coefficient change with time,(b) mean wear volume and mean friction coefficient of different lubricants under 100 ℃ (steel/steel friction pairs)圖9 不同潤滑劑在100 ℃時(shí)，(a)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線及(b)平均磨損體積和平均摩擦系數(shù)(鋼/鋼摩擦副)

2.5 摩擦試驗(yàn)過程中接觸電阻

2.5.1 鋼/銅錫合金摩擦副

圖10所示為常溫(25 ℃)和高溫(100 ℃)摩擦試驗(yàn)條件下摩擦過程中平均接觸電阻隨時(shí)間變化曲線.從圖10中可以看出，在常溫下，兩種離子液體PF-BA和PF-DBA在摩擦試驗(yàn)過程中的接觸電阻波動較大，雖然平均接觸電阻較高，但可以看出，接觸電阻最低點(diǎn)與另外幾種樣品接近，說明在摩擦過程中摩擦膜一直處于形成-破壞-再形成-再破壞的過程，這也是這兩種離子液體在常溫下并未表現(xiàn)出突出潤滑性能的原因.離子液體PF-TBA接觸電阻只在600 s之前有較大的波動，整體較另兩種離子液體平穩(wěn)，且接觸電阻略高于PFPE.其中PFPEC的接觸電阻最小，說明其在摩擦過程中形成的摩擦膜較薄，其磨損體積也較大.與常溫相比，高溫條件下接觸電阻較為平穩(wěn)，并且三種離子液體的接觸電阻明顯高于PFPE和PFPEC的接觸電阻，全氟聚醚的接觸電阻最低.結(jié)果表明，在高溫摩擦試驗(yàn)過程中，全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體潤滑過程中，在摩擦副表面能夠形成較厚的摩擦膜，從而表現(xiàn)出較為優(yōu)異的減摩抗磨性能，而全氟聚醚在摩擦過程中形成的摩擦膜較薄，故而表現(xiàn)出較大的摩擦系數(shù)和磨損體積，這與摩擦試驗(yàn)結(jié)果相符.

2.5.2 鋼/鋼摩擦副

圖11所示為不同潤滑劑潤滑過程中摩擦副接觸電阻隨時(shí)間變化曲線，從圖11中可以看出，在常溫下這幾種潤滑劑在摩擦過程中接觸電阻均較高，其中PFPE和兩種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體PF-BA和PFDBA在潤滑過程中接觸電阻較高，而全氟聚醚羧酸和PF-TBA潤滑過程中的接觸電阻略低.而且從接觸電阻變化趨勢可以看出，在摩擦試驗(yàn)過程中，這五種潤滑劑潤滑下摩擦副接觸電阻從試驗(yàn)開始到結(jié)束均較為平穩(wěn)，接觸電阻變化不大；而在高溫摩擦試驗(yàn)過程中，接觸電阻開始較低，說明試驗(yàn)初始階段形成的摩擦膜較薄.結(jié)合摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線可以看出，PFPE和PFPEC在試驗(yàn)初始階段存在明顯的磨合期，與接觸電阻結(jié)果相符；而三種離子液體在試驗(yàn)開始階段接觸電阻較低，形成的摩擦膜較薄，但是其摩擦系數(shù)較小且比較平穩(wěn)，這主要?dú)w因于離子液體在摩擦副表面的物理化學(xué)及靜電吸附所形成的吸附膜.隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，所有試樣的接觸電阻逐漸增大，在900 s以后基本保持在一定范圍內(nèi)，表明在摩擦過程中形成了較為穩(wěn)定的摩擦膜.

Fig.10 Contact resistance revolution with time during friction test under (a) 25 ℃ and (b) 100 ℃ (steel/tin bronze friction pairs)圖10 (a) 25 ℃和(b) 100 ℃摩擦試驗(yàn)過程中接觸電阻隨時(shí)間變化曲線(鋼/銅錫合金摩擦副)

Fig.11 Contact resistance revolution with time during friction test under (a) 25 ℃ and (b) 100 ℃ (steel/steel friction pairs)圖11 (a) 25 ℃和(b) 100 ℃摩擦試驗(yàn)過程中接觸電阻隨時(shí)間變化曲線(鋼/鋼摩擦副)

2.6 磨斑表面形貌分析

2.6.1 銅錫合金磨斑表面形貌

圖12所示為不同潤滑油潤滑后銅錫合金磨斑表面形貌的SEM照片.從圖12中可以看出，在常溫下，這五種潤滑劑潤滑后銅錫合金表面的磨斑大小比較接近，且磨斑表面都較為光滑.而在高溫條件下，全氟聚醚潤滑后的銅錫合金磨斑較大，全氟聚醚羧酸和全氟聚醚羧酸離子液體潤滑后的磨斑大小接近，其中PFTBA潤滑后的磨斑表面[圖12(e3)和(e4)]較為光滑，犁溝相對較淺.從磨斑形貌圖可知，這幾種潤滑劑潤滑下，銅錫合金表面的磨損主要為磨粒磨損.

Fig.12 SEM morphologies of the tin bronze worn surfaces lubricated by different lubricants under 25 ℃ and 100 ℃(a1～a4: PFPE; b1～b4: PFPEC; c1～c4: PF-BA; d1～d4: PF-DBA; e1～e4: PF-TBA)圖12 不同潤滑劑分別在25 ℃和100 ℃條件下潤滑后銅錫合金磨斑表面形貌（a1～a4: PFPE; b1～b4: PFPEC;c1～c4: PF-BA; d1～d4: PF-DBA; e1～e4: PF-TBA）

2.6.2 軸承鋼表面磨斑形貌

圖13所示為不同潤滑油潤滑后軸承鋼磨斑表面形貌的SEM照片.從圖13中可以看出，常溫下PFPE[圖13(a1)和(a2)]潤滑后的軸承鋼表面的磨斑較大，磨損比較嚴(yán)重，且磨斑表面存在著較深的犁溝，以磨粒磨損為主；全氟聚醚羧酸PFPEC和三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體潤滑后鋼表面的磨斑較小，且磨損表面較為光滑；全氟聚醚羧酸PFPEC[圖13(b1)和(b2)]和PF-BA[圖13(c1)和(c2)]潤滑后磨斑表面存在較淺的平行犁溝，也存在磨粒磨損；PF-DBA[圖13(d1)和(d2)]和PF-TBA[圖13(e1)和(e2)]潤滑后的磨斑表面更為光滑，幾乎無犁溝存在，甚至可以在磨斑中間看到拋光痕跡.

Fig.13 SEM morphologies of the steel worn surfaces lubricated by different lubricants under 25 ℃ and 100 ℃(a1～a4: PFPE; b1～b4: PFPEC; c1～c4: PF-BA; d1～d4: PF-DBA; e1～e4: PF-TBA)圖13 不同潤滑劑分別在25 ℃和100 ℃條件下潤滑后軸承鋼磨斑表面形貌(a1～a4: PFPE; b1～b4: PFPEC;c1～c4: PF-BA; d1～d4: PF-DBA; e1～e4: PF-TBA)

高溫(100 ℃)摩擦試驗(yàn)后，PFPE[圖13(a3)和(a4)]潤滑后鋼表面的磨斑較大，磨損表面存在許多平行犁溝，在磨斑中央犁溝較深，主要表現(xiàn)為磨粒磨損；PFPEC[圖13(b3)和(b4)]的磨斑較全氟聚醚的磨斑小，磨斑表面也存在許多平行溝槽，但較PFPE的小且淺；三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體的磨斑相對來說比較小，磨斑表面相對較為光滑.

2.7 磨斑表面化學(xué)成分分析

為了進(jìn)一步研究這類潤滑劑的潤滑作用機(jī)理，選取了對照樣PFPEC和離子液體PF-DBA在室溫下潤滑后的軸承鋼進(jìn)行磨斑表面C1s、O1s、Fe2p和F1s的XPS精細(xì)譜分析，如圖14所示.PEPEC和PF-DBA樣品的C1s譜在結(jié)合能為284.8 eV處的峰對應(yīng)為C-C鍵，兩個(gè)樣品的C1s譜在286.3和288.4 eV處的結(jié)合能峰以及其O1s譜在531.7 eV的結(jié)合能峰對應(yīng)為C-O或C=O[18].另 外，PF-DBA的C1s譜 在293.4 eV以及其F1s譜 在688.9 eV的結(jié)合能峰對應(yīng)為-CF2-或-CF3，這說明離子液體可能在金屬表面形成了吸附膜.PFPEC的C1s譜圖在293.1 eV的結(jié)合能以及F1s在688.5 eV的結(jié)合能也對應(yīng)于-CF2-或-CF3，可能為潤滑劑在金屬表面的吸附膜.而顯然離子液體PF-DBA在此處的峰值強(qiáng)度較高，相對含量較高，由此可推測離子液體在金屬表面的吸附更強(qiáng)，甚至在超聲處理后在XPS譜圖中依然有較強(qiáng)的吸收峰.而離子液體PF-DBA的C1s譜在291.3 eV的峰值，N1s譜在399.9 eV處的峰值，對應(yīng)為胺類化合物[19]，應(yīng)為離子液體與摩擦副在摩擦過程中發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物，而PFPEC無此處峰值.兩種樣品的O1s譜在結(jié)合能為530.1 eV處的峰以及Fe2p譜在結(jié)合能為710.7和724.2 eV處的峰對應(yīng)為Fe3O4和Fe2O3[20].兩個(gè)樣品的F1s譜在結(jié)合能為684.7 eV的峰以及Fe2p譜在結(jié)合能為714.7 eV的峰對應(yīng)為FeF3[21].離子液體PF-DBA潤滑后N1s譜在401.9 eV處的峰值對應(yīng)為氮氧化物[22].

Fig.14 XPS spectra of typical elements of the steel surface lubricated by different lubricants under room temperature(25 ℃)圖14 常溫下(25 ℃)不同潤滑劑摩擦后軸承鋼表面元素XPS精細(xì)譜圖

綜上所述，離子液體PF-DBA和PFPEC潤滑后磨斑表面的摩擦膜的成分及含量不同，離子液體在金屬表面的吸附膜更強(qiáng)，且摩擦膜更厚.這也是這類離子液體具有更為優(yōu)異的抗磨性能的原因.

3 結(jié)論

a.成功制備了三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體，其黏度均高于全氟聚醚羧酸；三種離子液體在銅錫合金和軸承鋼表面上均具有良好的潤濕性，且潤濕性均優(yōu)于全氟聚醚羧酸.

b.合成的三種全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體在室溫下對鋼/銅錫合金摩擦副的潤滑性能與全氟聚醚(PFPE)和全氟聚醚羧酸(PFPEC)相當(dāng)，但在高溫(100 ℃)條件下其潤滑性能顯著優(yōu)于全氟聚醚(PFPE)；而作為鋼/鋼摩擦副的潤滑劑，在室溫和高溫下的潤滑性能和抗磨性能均顯著優(yōu)于全氟聚醚(PFPE)和全氟聚醚羧酸(PFPEC).

c.全氟聚醚羧酸銨鹽離子液體在軸承鋼表面形成的強(qiáng)吸附膜以及穩(wěn)定摩擦化學(xué)反應(yīng)膜是其具有優(yōu)異減摩抗磨性能的原因.