張仁輝 劉宇航

摘要：【目的】為了探究甲醇、異丙醇在相同載荷、不同轉(zhuǎn)速工況下的潤滑性能，重點(diǎn)探究轉(zhuǎn)速對甲醇、異丙醇潤滑性能的影響?！痉椒ā坷盟那蚰Σ聊p試驗(yàn)機(jī)測定甲醇、異丙醇在98 N，400，500 r/min和600 r/min耦合工況下的摩擦學(xué)性能?！窘Y(jié)果】摩擦測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對于甲醇潤滑體系，隨著轉(zhuǎn)速的增加，磨合期明顯縮短，在500 r/min下摩擦體系顯示最小的磨斑直徑，對于異丙醇潤滑體系，隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦系數(shù)基本保持恒定，磨斑直徑隨著轉(zhuǎn)速的增加先減小后增加，在500 r/min下摩擦體系顯示最小的磨斑直徑?！窘Y(jié)論】甲醇潤滑體系的低摩擦磨損性能歸因于氧化鎢（WO2和WO3）、甲醇、摩擦誘導(dǎo)的無定形碳、摩擦對偶四者形成的“微軸承”的作用；而異丙醇潤滑體系的優(yōu)異摩擦學(xué)性能主要?dú)w因于摩擦誘導(dǎo)形成的具有潤滑作用的無定形碳。結(jié)合光學(xué)顯微鏡、拉曼光譜、透射電子顯微鏡等表征方法，對甲醇、異丙醇的潤滑機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)探究，研究結(jié)果可為醇基物質(zhì)在精密設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：摩擦誘導(dǎo)；無定形碳；潤滑；甲醇；異丙醇

中圖分類號：TH117.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-0523（2024）02-0102-07

Friction-Induced Transformation of Monoalcohols to Amorphous Carbon and Its Friction-Reducing and Wear-Resistant Properties

Zhang Renhui， Liu Yuhang

（School of Materials Science and Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： 【Objective】In order to investigate the lubricity of methanol and isopropanol under the same load and the different rotational speed， and the effect of rotational speed on the lubricity is mainly emphasize investigated.【Method】The tribological properties of methanol and isopropanol under 98 N， 400， 500 r/min and 600 r/min are conducted using four-ball wear machine. 【Result】The experimental results show that in terms of lubrication system of methanol， the run-in stage is shortened with increasing rotational speed， and the smallest wear scar diameter is obtained at 500 r/min. In terms of the lubrication system of isopropanol， friction coefficient is kept the constant with increasing the rotational speed， but the wear scar diameter initially decreases and then increases with increasing rotational speed， and the smallest one is obtained at 500 r/min. 【Conclusion】The low friction and wear of the lubrication system of methanol is attributed to the micro-bearing consisting of tungsten oxide （WO2 and WO3）， methanol， friction-induced amorphous carbon and tribo-pairs. And the excellent tribological performance of the tribosystem of isopropanol is assigned to the effect of amorphous carbon with lubricity that induced by tribochemistry. Combination of optical microscope， Raman spectra， transition electron microscope， the lubrication mechanism of methanol and isopropanol is well investigated. The research results can provide references for the application of alcohols in the field of precision equipment.

Key words： friction-induced; amorphous carbon; lubricity; methanol; isopropanol

Citation format： ZHANG R H，LIU Y H. Friction-induced transformation of monoalcohols to amorphous carbon and its friction-reducing and wear-resistant properties[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（2）： 102-108.

【研究意義】摩擦磨損一直是機(jī)械系統(tǒng)及工業(yè)領(lǐng)域最常見的物理現(xiàn)象，也是導(dǎo)致能量損耗和機(jī)械設(shè)備失效的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約1/3的一次能源因摩擦而消耗，大約80%的機(jī)器零部件失效因磨損造成。我國在2014年因摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)31 800 億元，約占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值的5%[1]。潤滑材料被認(rèn)為是降低摩擦磨損的最佳手段，潤滑材料按物理狀態(tài)和特性可以劃分為液體潤滑劑、半固體潤滑劑和固體潤滑劑三類。液體潤滑材料諸如酸溶液、納米流體等[2-3]顯示出優(yōu)異的減摩耐磨特性。

【研究進(jìn)展】Montgomery和Kajdas報道了醇分子在滑動金屬界面間易經(jīng)摩擦化學(xué)反應(yīng)形成減摩耐磨物質(zhì)，致使摩擦體系展現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能[4-5]。Ge和Wang報道在醇潤滑下摩擦體系展示超潤滑性能[6-7]，超潤滑性能歸因于摩擦誘導(dǎo)形成的易剪切羥基化摩擦界面的作用。正如之前的研究成果報道的結(jié)果一樣：“摩擦誘導(dǎo)形成的潤滑物質(zhì)密切影響摩擦體系的摩擦學(xué)性能[8]?！背酥?，載荷和轉(zhuǎn)速被認(rèn)為是摩擦誘導(dǎo)形成碳基潤滑物質(zhì)的重要因素[9-11]?；诖?，我們對一元醇、二元醇和三元醇在高載高轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究結(jié)果顯示摩擦誘導(dǎo)形成的石墨烯具有優(yōu)異的減摩耐磨特性[12-14]。

【創(chuàng)新特色】研究兼具綠色環(huán)保、長效潤滑和節(jié)能等特性的醇類物質(zhì)彌補(bǔ)了當(dāng)今潤滑劑不環(huán)保的缺陷，貼近當(dāng)今綠色摩擦學(xué)的發(fā)展理念?！娟P(guān)鍵問題】研究發(fā)現(xiàn)摩擦誘導(dǎo)形成的碳基潤滑物質(zhì)在穩(wěn)定摩擦系數(shù)方面具有重要作用，為醇基物質(zhì)在低速、低載機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用提供必要的理論支持和參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

甲醇、異丙醇均為分析純，購買于阿拉丁試劑網(wǎng)。摩擦副為直徑10 mm的YG8硬質(zhì)合金球，表面粗糙度小于0.02 mm. YG8硬質(zhì)合金球的主要物理化學(xué)性能見文獻(xiàn)[15]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（MRS-1J）表征摩擦體系的摩擦磨損性能，載荷為98 N，轉(zhuǎn)速為400，500 r/min和600 r/min，蠕動泵以0.05 mL/s的恒定速率將甲醇、異丙醇溶劑補(bǔ)給至摩擦油盒中，力學(xué)傳感器實(shí)時測量和記錄摩擦數(shù)據(jù)。測試溫度恒定在（25±4） ℃。

1.3 性能測試與表征

拉曼光譜由LabRam HR800 Jobin-Yvon型光譜儀測定，激發(fā)波長為532 nm，數(shù)據(jù)采集時間為30 s。磨斑光學(xué)照片由光學(xué)顯微鏡測定（AOSVI： M230-3M50），摩擦誘導(dǎo)形成的固體物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)由TF20型透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損性能

課題組前期[16]探討了甲醇、異丙醇在1 450 r/min轉(zhuǎn)速下的摩擦體系的減摩耐磨性能，摩擦誘導(dǎo)產(chǎn)物顯示出潤滑增效的作用，有效地降低了摩擦體系的摩擦磨損。為了探究在相同載荷和低轉(zhuǎn)速（400，500 r/min和600 r/min）下甲醇、異丙醇潤滑下的摩擦體系的摩擦學(xué)行為，相應(yīng)的摩擦系數(shù)如圖1所示，在轉(zhuǎn)速為400 r/min時，摩擦體系的摩擦系數(shù)具有較大波動，且磨合期較長，摩擦測試1 000 s后摩擦系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定摩擦系數(shù)約為0.12，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到500，600 r/min時，摩擦體系的摩擦系數(shù)較平穩(wěn)，滑動900 s后摩擦系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定摩擦系數(shù)約為0.08。說明適當(dāng)?shù)脑黾愚D(zhuǎn)速有利于降低摩擦體系的摩擦系數(shù)。

圖1為摩擦體系在載荷為98 N、轉(zhuǎn)速為400，500，600 r/min下和甲醇潤滑下的磨斑直徑光學(xué)照片圖，由圖所知，400，500，600 r/min轉(zhuǎn)速下的磨斑直徑分別為54.66，25.56，44.81 mm。說明增大轉(zhuǎn)速在一定程度上有助于降低磨斑直徑，當(dāng)轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 r/min時，摩擦體系的磨斑直徑最小，說明在此轉(zhuǎn)速下摩擦體系具有最優(yōu)的抗磨性能。

在相同載荷、不同轉(zhuǎn)速下，為了探究異丙醇為潤滑劑下的摩擦體系的摩擦學(xué)磨損性能，對應(yīng)的摩擦系數(shù)曲線和磨斑直徑如圖2、圖3所示，與甲醇潤滑不同的是：3種轉(zhuǎn)速下的磨合期都較短，都能快速達(dá)到穩(wěn)定摩擦系數(shù)，穩(wěn)定摩擦系數(shù)約為0.075。對應(yīng)的磨斑直徑光學(xué)照片如圖4所示，與甲醇潤滑相同的是：500 r/min轉(zhuǎn)速下磨斑直徑最?。?3.15 mm），400，600 r/min轉(zhuǎn)速下的磨斑直徑分別為52.63，42.11 mm。同樣說明在500 r/min轉(zhuǎn)速下摩擦體系具有最好的減摩耐磨性能。圖4顯示隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大磨斑表面出現(xiàn)大量黑色物質(zhì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min時磨斑表面出現(xiàn)大量的黑色物質(zhì)，磨斑直徑的增大與大量黑色物質(zhì)的生成有直接關(guān)系。

2.2 500 r/min轉(zhuǎn)速下摩擦對偶表面摩擦膜微觀形貌的TEM分析

為了獲得摩擦體系的摩擦磨損機(jī)理，采用聚焦離子束（FIB）與透射電鏡（TEM）聯(lián)用的方法對摩擦對偶表面的摩擦膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，如圖5、圖6所示。圖5（a）為甲醇潤滑下的摩擦膜微觀形貌圖，摩擦膜厚度約為100 nm；圖5（b）為圖5（a）中長方形區(qū)域的放大圖，在摩擦膜中嵌入了大量的黑色類球狀物質(zhì)；圖5（c）為圖5（b）中圓形區(qū)域的放大圖，顯示類球狀物質(zhì)為晶格間距為0.3 nm的晶體，經(jīng)分析其對應(yīng)于WO3（111）面（PDF#20-1324）。圖6（a）為異丙醇潤滑下的摩擦膜微觀形貌圖，摩擦膜厚度為50～100 nm；圖6（b）為圖6（a）中長方形區(qū)域放大圖，在摩擦膜中嵌入了大量無規(guī)則的黑色物質(zhì)；圖6（c）為圖6（b）中圓形區(qū)域的放大圖，顯示無規(guī)則黑色物質(zhì)為無定形碳包裹納米晶組合成的類球狀物質(zhì)。包裹的納米晶晶格間距為0.263，0.267 nm，分別對應(yīng)于WO3（220）面和WO2（301）面（PDF#20-1324和PDF#48-1827）。

2.3 摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)的拉曼光譜表征

摩擦磨損性能測試結(jié)果顯示，在甲醇、異丙醇作為潤滑劑的工況下，摩擦體系在轉(zhuǎn)速為500 r/min下均具有優(yōu)異的減摩耐磨特性，基于此，對轉(zhuǎn)速為500 r/min下的摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)進(jìn)行了拉曼光譜分析（如圖7所示）。圖7（a）顯示峰位位于892，952 cm-1對應(yīng)于WO2和WO3[17]，這歸因于磨合期期間YG8對偶與氧反應(yīng)的產(chǎn)物，峰位位于1 375，1 583 cm-1對應(yīng)于無定形碳的D和G特征峰[18]，結(jié)合圖4可知，磨斑表面的黑色物質(zhì)為無定形碳和氧化鎢的混合物。圖7（b）顯示峰位位于1 100 cm-1對應(yīng)于C-C sp3鍵[19]，峰位位于1 332，1 573 cm-1同樣對應(yīng)于無定形碳的D和G特征峰。

2.4 摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)微觀形貌的TEM分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證“微軸承”潤滑理論，采用透射電子顯微鏡技術(shù)對500 r/min下的摩擦誘導(dǎo)物質(zhì)的形貌進(jìn)行了表征，如圖8所示。圖8（a）顯示黑色的尺寸不一的規(guī)則氧化鎢納米球均勻分布在無定形碳表面，在異丙醇潤滑下的摩擦誘導(dǎo)產(chǎn)物形貌如圖8（b）所示，摩擦誘導(dǎo)形成的物質(zhì)為枝狀無定形碳，枝狀無定形碳起到了減摩耐磨的作用[20]。

基于以上研究結(jié)果，摩擦體系在甲醇、異丙醇潤滑下的摩擦機(jī)理如圖9（a）和圖9（b）所示，摩擦體系在甲醇潤滑下摩擦對偶與氧經(jīng)摩擦化學(xué)反應(yīng)形成了氧化鎢納米球（WO3），甲醇分子經(jīng)摩擦誘導(dǎo)形成無定形碳，與摩擦對偶完美的形成了“微軸承”，有效地降低了摩擦體系的摩擦磨損；摩擦體系在異丙醇潤滑下甲醇分子經(jīng)摩擦誘導(dǎo)形成枝狀無定形碳，雖然TEM測試結(jié)果顯示形成了氧化鎢納米顆粒，但由于其未與枝狀無定形碳形成“微軸承”，摩擦體系在異丙醇為潤滑劑時的磨損較大。

3 結(jié)論

1） 在相同載荷，不同轉(zhuǎn)速和具有催化能力的摩擦副材料的耦合作用下，醇分子經(jīng)摩擦誘導(dǎo)作用轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袧櫥饔玫臒o定形碳。

2） 對于甲醇潤滑體系，不同轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出迥異的摩擦學(xué)行為，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于400 r/min時，磨合期縮短，穩(wěn)定摩擦系數(shù)均小于400 r/min時的摩擦系數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時磨斑直徑最小。

3） 對于異丙醇潤滑體系，摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加保持恒定，但是磨斑直徑隨轉(zhuǎn)速增加先減小后增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時磨斑直徑最小。

4） 對于甲醇潤滑體系，摩擦體系的低摩擦磨損性能歸因于氧化鎢（WO2和WO3）、甲醇、摩擦誘導(dǎo)的無定形碳、摩擦對偶四者形成的“微軸承”的作用。

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第一作者：張仁輝（1985—），男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楸砻婺Σ?。先后主持國家級、省部級?xiàng)目5項(xiàng)，出版教材和專著各1部，主編英文專著1部，授權(quán)發(fā)明專利6件，在國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文80余篇，其中70余篇為SCI收錄，2020年獲貴州省自然科學(xué)三等獎（排名第三），2021年獲貴州省自然科學(xué)三等獎（排名第一）。現(xiàn)為中國機(jī)械工程學(xué)會高級會員、中國機(jī)械工程學(xué)會表面工程分會青年工作委員會委員、中國化學(xué)會會員、江西省機(jī)械工程學(xué)會表面工程分會理事，國際期刊《Current Chinese Science》編委，國際期刊《Frontiers of Materials》review editor，應(yīng)邀為《ACS Applied Materials & Interfaces》《Applied Surface Science》《Journal of Powder Sources》《Ceramics International》等國際期刊審稿人。E-mail： zrh-111@126.com。