The tribological performance of BCN ?lms under ionic liquids lubrication
Y.M.Chen a ,b ,Z.X.Zeng a ,b ,S.R.Yang a ,?,J.Y.Zhang a ,?
a State Key Laboratory of Solid Lubrication,Lanzhou Institute of Chemical Physical,Chinese Academy of Science,Lanzhou 730000,China b
Graduate School of The Chinese Academy of Science,Beijing 100039,China
a b s t r a c t
a r t i c l e i n f o Article history:
Received 21January 2008
Received in revised form 8July 2008Accepted 29July 2008
Available online 8August 2008Keywords:BCN ?lm
Ionic liquids lubricant Tribological properties Corrosion resistance
Boron carbon nitride ?lms were deposited onto silicon substrates by medium frequency magnetron sputtering from graphite and boron targets with Ar and N 2as feedstock.The three elements of B,C and N were bonded to each other and an atomic-level hybridized B –C –N had been formed in the ?lms.The tribological performances of the boron carbon nitride ?lm with 1-butyl,3-methylimidazolium tetra ?uoroborate ionic liquid as lubricant and the electrochemical corrosive behaviors of the BCN ?lm were investigated.The boron carbon nitride ?lm demonstrated excellent tribological properties and corrosion resistance as compared with diamond like carbon ?lm.An extensive discussion of the effect of ?lm intrinsically structure on both lubrication and corrosion under ionic liquid condition is given.In addition,the interrelation between the tribological properties and corrosion resistance is illustrated.
?2008Elsevier B.V.All rights reserved.
1.Introduction
Since their hybrid physical properties of either graphite (semi-metal)and h-BN (insulator)or diamond and c-BN,boron carbon nitride (BCN)?lms have been attracting much attention as promising materials for ?eld emission,electronic devices and wear protection applications [1–3].Therefore,extensive studies and reports have dealt with the preparation of BCN ?lms by different types of chemical and physical vapor deposition (CVD and PVD)techniques such as plasma-assisted chemical vapor deposition [4,5],microwave plasma-assisted deposition [6],ion beam-assisted evaporation [7],magnetron sputter-ing [8,9],and pulsed laser deposition [10,11].
Although BCN ?lms exhibited good tribological properties,excellent thermal conductivity and resistance to aqueous corrosion [12–14],the tribological properties of the BCN ?lms are very sensitive to the testing environment [15].To solve this problem,several studies have already used lubricants combined with the coatings,for exam-ple,Refs.[16–19],using both water and oils.Ionic liquids,with a number of desirable characteristics including negligible volatility,non-?ammability,high thermal stability,and high chemical stabilities [20],are expected as potential lubricants [21–24].Recently,Bhushan and Palacio [25]studied ultrathin wear-resistant ionic liquid ?lms for novel MEMS/NEMS applications;they considered ionic liquids for MEMS/NEMS applications because of their low friction,wear resistance and favorable charge dissipation properties.However,ionic
liquids have strong corrosive behavior to metals [26],which limit the application of ionic liquid as a lubricant.
Considering of the corrosion resistance of BCN ?lms and ionic liquids as novel lubricant,the main objective of this work is to investigate the tribological properties and the corrosion resistance of the BCN ?lm with 1-butyl,3-methylimidazolium tetra ?uoroborate ionic liquid as lubricant.Hydrogenated diamond like carbon (DLC)?lm was also evaluated so as to have a comparison.2.Experimental
2.1.Fabrication of the BCN ?lms
Boron carbon nitride ?lms were prepared on Si(100)substrates employing a 20kHz medium frequency magnetron sputter deposi-tion.The target-substrate distance was set to about 10cm.The sputter targets with size of 280×80mm 2were 99.9%pure boron and 99.999%pure graphite.The sputtering was carried out in argon/nitrogen gas mixture with a ratio of 2:3(Ar:N 2)and a total gas ?ow rate of 150sccm.Prior to deposition,the substrates were cleaned with Ar plasma sputtering at a bias voltage of ?600V for 15min.The ?lm deposition conditions were summarized in Table 1.The hydrogenated DLC ?lms were deposited on Si (100)wafers by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)technique using CH 4plus Ar as the feedstock.Details of the experimental setup were described elsewhere [27].The ?lm deposition conditions were summarized in Table 1.Before deposition,the substrates were sputtered with Ar plasma applying a DC bias voltage of ?400V for 30min,so as to remove the native oxide on the Si surface.
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?Corresponding authors.Yang is to be contacted at Tel.:+869314968088;fax:+869318277088.Zhang,Tel.:+869314968295;fax:+869318277088.
E-mail addresses:sryang@https://www.doczj.com/doc/7c18710261.html, (S.R.Yang),junyanzh@https://www.doczj.com/doc/7c18710261.html, (J.Y.
Zhang).0925-9635/$–see front matter ?2008Elsevier B.V.All rights reserved.doi:
10.1016/j.diamond.2008.07.023
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j ou r n a l h o me pa g e :ww w.e l s e v i e r.c o m/l o c a t e /d i a m on d
2.2.Characterization of the ?lms
The XPS of the BCN ?lms were performed on a Perkin-Elmer PHI-5702multi-functional X-ray photoelectron spectroscope (XPS)(Physical Electronics,USA),using Al K αradiation (photon energy 1486.6eV)as the excitation source.The XPS spectra were collected in a constant analyzer energy mode,at a chamber pressure of 10?8Pa and the binding energy of the Au 4f 7/2core-level electron (Au 4f 7/2:84.0eV)as the reference,at a pass energy of 29.4eV and a resolution of ±0.2eV.The chemical nature of the ?lms was also probed with Fourier transform infrared (FTIR)absorption spectroscopy using a FTS165spectrometer over the range from 400to 4000cm ?1,with a resolution of 4cm ?1.A freshly cleaned single-crystal silicon wafer was used as the reference.
The thickness of the BCN and DLC ?lms was determined using surface pro ?lometry,and their surface roughness was measured by SPM-9500atomic force microscope (AFM).The hardness and elastic modulus of the ?lms were evaluated on a nanoindenter (MTS Systems Corporation)using a continuous stiffness option.The experimental results were listed in Table 2.2.3.Friction and wear testing
The friction and wear performance of the BCN and DLC ?lms under ionic liquids lubrication were evaluated on the UMT –2MT test system,using a reciprocating-sliding mode.The ionic liquid,1-butyl,3-methyli-midazolium tetra ?uoroborate,was used as lubricant in this study (Fig.1).The ionic liquid was heated under vacuum at 70°C to remove the water absorbed from the atmosphere before it was used.The BCN ?lms on Si substrates were made to slide against a Cr-steel ball (of 4mm diameter)at a frequency of 5Hz and sliding distance of 5mm.All the tests were conducted at room temperature,about 20°C.The friction coef ?cient and sliding time were recorded automatically during the test.
Wear track pro ?les were estimated using a non-contact 3D surface pro ?ler (model MicroMAXTM,ADE Phase Shift,Tucson,AZ,USA)after the tests.The wear rates were calculated using the equation:K =V /SL where V is the wear volume in cubic millimeters,S is the total sliding distance in meters,and L is the load in Newton.The friction surfaces of the ?lms and the steel balls were characterized using a JSM-5600LV SEM.
Table 1
Summary the deposition conditions of the BCN and DLC ?lms BCN DLC Item
Parameter
Item
Parameter Target Boron (99.9%)and graphite (99.999%)CH 4gas ?ow rate 11.6sccm Substrate Si(100)Ar gas ?ow rate 11sccm Substrate temperature Room temperature Deposition
pressure
5Pa Base pressure 3.0×10?3Pa RF power 300W Deposition pressure 0.5Pa DC bias ?200V Gas source Ar:60sccm,Deposition time
150min
N 2:90sccm Substrate potential ?200V Target size 80×280mm Target power 1000–1160W Deposition time
180min
Table 2
Thickness,roughness,hardness and elastic modulus of BCN and DLC ?lms Name Thickness,nm R RMS,nm H ,GPa E ,GPa BCN 500 2.8976.5DLC
600
1.1
15
120
Fig.1.Chemical structure of the ionic
liquid.
Fig.2.Typical B1s (a),C1s (b)and N1s (c)core-level XPS spectra of deposited BCN ?lms.
21
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2.4.Electrochemical corrosion behaviors
The potentiodynamic polarization curves were established using a CHI760B electrochemical analyzer (CHI Company USA)at 20°C.The potential scan was performed from ?1V (vs SCE)to 2V (vs SCE)at a rate of 10mV s ?1.3.Results and discussion 3.1.Characterization of BCN ?lms
The elemental composition (atomic ratio)of BCN ?lms was de-termined by XPS analysis that the composition of BCN ?lm could be described as B 1.0C 1.5N 0.9,obtained from the integrated areas of the boron,carbon and nitrogen peaks.The carbon rich BCN ?lm was deposited as the addition of carbon generates an increase of the more energetic sp3bonds giving rise to a reduction of the wear of the material [28].
The resolution XPS spectra of B1s,C1s and N1s core-level peaks for selected BCN ?lms have been presented in Fig.2.The B1s spectrum (Fig.2(a))can be nicely ?tted with a dominating component cente-red at 190.6eV,accompanied by two small components peaked at 188.8,and 193.0eV.The major peak at bonding energy of 190.6eV is
attributed to B –N binding in h-BN [29].The chemical shift to the lower energy side indicates a contribution of B –C bonding,since the electronegativity of C atoms is lower than that of N atoms.The component peak with high binding energy of 193.0eV is considered to B –O
bonds.
Fig.3.FTIR absorbance spectra of BCN ?lm (b).The FTIR of a boron nitride ?lm (a)and a boron carbide ?lm (c)deposited at the same conditions are also given for
comparison.
Fig.4.Typical friction coef ?cient curves of the hydrogenated DLC and BCN ?lms sliding against steel ball at 2N
unlubricated.
Fig.5.Typical friction behavior of the hydrogenated DLC (a)and BCN (b)?lms sliding against steel ball in ionic liquids lubrication,(c)the friction coef ?cient of the hydrogenated DLC and BCN ?lms as a function of the normal loads.
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The spectrum for C1s electrons is shown in Fig.2(b).From curve ?tting,four mixed Gaussian components were distinguished at different binding energies in the carbon spectra for BCN ?lms,with individual peaks centered at 283.3,284.5285.8and 287.4eV.The small component peaked at 283.3eV of the C 1s XPS spectrum is attributed to carbon bonded to boron.This is consistent with earlier XPS data for BC x compounds which showed peaks at 284.3eV for BC 3.4,at 283.0eV for B 4C [30].The binding energy of 284.5eV can be assigned to C –C bonds.The contributions of 285.8and 287.4eV reveal that a number of the carbon atoms in the BCN ?lms were bonded to the more electronegative nitrogen as sp2C f N bonding and sp3C –N bonding,respectively [11].Finally,we examined the N1s core-level spectrum illustrated in Fig.2(c).The deconvolution of the N1s spectrum shows peaks at binding energies of 398.3,399.1and 400.2eV.The peak at 398.3eV of the N1s XPS spectrum was the same as that for h-BN with almost the same as the reported energy [29].The smaller component with a binding energy of 399.1eV is attributable to nitrogen atoms bond to sp3-hybridized carbon [31].The chemical shift toward higher energy of 400.2eV is attributed to the contribution of nitrogen atoms bonds to sp2-hybridized carbon [32].
Based on the XPS analyses,we can conclude that the boron atoms in the BCN ?lms are mainly bonded to nitrogen as sp2B –N bonding and no sp3-bonding phase is evident.B –C and C –C bonding are
also
Fig.6.The wear rate of the hydrogenated DLC and BCN ?lms.(a)in unlubricated,(b)in ionic liquids
lubrication.
Fig.7.SEM images and cross-sectional pro ?les of wear track of the DLC (a,c)and BCN (b,d)?lms after sliding steel ball in ionic liquids lubrication.
23
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identi ?ed.Besides being bonded to boron,a signi ?cant number of nitrogen atoms in the ?lms bonded to carbon through sp2and sp3CN bonding.
Fig.3demonstrates the FTIR absorption spectrum of the prepa-red BCN ?lms (spectrum b)in the region of 400–4000cm ?1.For comparison,the FTIR spectra of a medium frequency magnetron sputtered BN (spectrum a)and BC x ?lm (spectrum c)are also dis-played.The spectrum of the BN ?lm showed two main absorption bands,around 1370cm ?1(B –N in-plane stretching)and 780cm ?1(sp2B –N –B out-of-plane bend stretching),which are characteristic of the h-BN phase with sp2bonding structure [33,34].Although it has been reported that the absorption band due to sp3bonds of c-BN structure at 1070cm ?1,it is not identi ?ed in BCN ?lms,suggesting that for boron and nitrogen in our ?lm,only a hexagonal phase with sp2bonding is formed,consistent with the results obtained from XPS analysis.The absorption band of B –C vibrations normally appears at 1100cm ?1and this peak can shift to higher frequencies (to 1250cm ?1)as the carbon content increases [35].The C –N,C f N,and C `N bonding are re ?ected approximately at 1300,1600,and 2170cm ?1,respectively [36].The small absorption bands appeared at approximately 1600cm ?1and 2200cm ?1indicating the formation of the C f N and C `N bonding,respectively.The existence of C –N bonding may be implied compared with the FTIR spectra of the BN ?lm although those absorption bands are not seen clearly.In addition,we can also see a small band in the range of 3300–3500cm ?1,assigned to N –H [4].Consequently,the FTIR measurement was in accord with the XPS analysis.It again demon-strated that the ?lms obtained in this study possess a hexagonal BN phase and the chemical bonds of B –C,B –N,C –N and C f N.
3.2.Tribological properties and corrosion behaviors of the BCN ?lms To study the tribological properties of BCN and hydrogenated DLC ?lms sliding against steel ball under ionic liquid lubrication,we ?rst investigated the tribological behaviors of the BCN and hydrogenated DLC ?lms sliding against steel ball without lubricant.Fig.4showed the coef ?cient of friction (COF)of the ?lms as a function of the number of cycles under applied normal load of 2N.The results indicated that when sliding against steel ball,the hydrogenated DLC ?lm provided a low and a stable friction coef ?cient of about 0.13and a low wear rate of 6.21×10?8mm 3/Nm (see Fig.6(a)),while the BCN ?lm showed a high and unstable friction coef ?cient of about 0.45and a high wear rate of 3.61×10?6mm 3/Nm (see Fig.6(a)).The above comparison indicated that the hydrogenated DLC ?lm showed a much better tribological property than that of BCN ?lm against steel ball without lubrication.The low friction behavior of DLC ?lm could be explained by the hydrogenated structure of the ?lm itself.This observed performance was in accordance with the previous study by Zaidi et al.[37]and Erdemir et al.[38].
Fig.5demonstrated the friction coef ?cient and wear duration of BCN and hydrogenated DLC ?lms as function of load sliding against steel ball under ionic liquid lubrication.The DLC ?lms exhibited very low friction coef ?cient (0.04–0.05)but poor wear duration,especially under a relatively high load,characterized by the low wear duration (about 4000cycles under the load of 2N)and low load-carrying ability (about 2N),as shown in Fig.5(a).However,In the case of BCN ?lms,the friction coef ?cient was about 0.05,and the wear duration exceeded 36,000cycles under the load of 10N as shown in Fig.5(b).In the viewpoint of tribology,the friction between two sliding surfaces is mainly governed by the physical condition and the chemical reactions between the sliding surfaces as well as the environments [16].Under ionic liquid lubrication environment,the friction coef ?cient is mainly governed by the ionic liquid.So,both of the BCN and DLC ?lms showed low friction coef ?cients.However,the difference in wear duration of the BCN and DLC ?lms indicated that the wear duration is
mainly
Fig.8.SEM images of wear scar on steel ball after sliding different ?lms in ionic liquids lubrication:(a)DLC ?lm,(b)BCN ?
lm.
Fig.9.Potentiodynamic polarization curves of different materials in ionic liquids.
Table 3
The corrosion current density of different materials obtained from potentiodynamic polarization curves Sample Corrosion current density (A/cm 2)BCN 5.98×10?6DLC 1.45×10?5Fe 2.44×10?4Cu
3.4×10?4
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governed by the chemical interactions between the?lms and lubricant, ionic liquid.The wear rates of the DLC and BCN?lms against the steel ball under ionic liquid lubrication were shown in Fig.6(b).The wear life of the DLC?lm was approximately4000cycles(see Fig.5(a)),giving a speci?c wear rate of approximately2.3×10?6mm3/Nm,which was two orders of magnitude more than that of BCN?lm(5.6×10?9mm3/Nm). The results again revealed that the hydrogenated DLC coating could not survive longer than BCN?lm under ionic liquid lubrication.
In order to gain more insight into the friction and wear mechanisms of the DLC and BCN?lms sliding against the steel balls under ionic liquid lubrication,SEM were used to analyze the friction surfaces of the?lms and the steel balls.As shown in Fig.7(a),the worn surfaces of the DLC exhibited severe scuf?ng and corrosion after sliding against steel at2N for4000cycles.An obvious wear scar was formed.In contrast,the worn surface of the BCN?lm(Fig.7(b)) showed light scuf?ng sign after sliding against steel at10N for9000 sliding cycles.The wear of the?lms was a smoothening type of wear, where only the outermost peaks of surface roughness were polished. On the other hand,Fig.7also shows cross-sectional pro?les of the DLC and BCN?lms.As shown in Fig.7(c),the wear depth of the DLC is about300nm after sliding against steel at2N for4000cycles.In contrast,the wear depth of the BCN?lm(Fig.7(d))is about15nm after sliding against steel at10N for9000sliding cycles.Therefore,the BCN ?lm exhibits better wear resistance than the DLC?lm obviously.Fig.8 showed the SEM morphologies of the counterpart steel balls against DLC and BCN?lms that the worn surface of the steel balls sliding against the DLC?lms formations a transfer layer breaking away from DLC?https://www.doczj.com/doc/7c18710261.html,paratively,The worn surface of the steel balls sliding against the BCN?lms at10N after9000cycles-sliding was characterized with surface smooth and several white scars(Fig.8(b)). The white scars in the wear scar may be attributed to the corrosive effect of ionic liquid.
In present,the wear mechanism of the steel ball sliding against the DLC and BCN?lms under ionic liquid lubrication is not clear.However, it is known that the wear is mainly governed by the chemical interactions between the?lms and lubricant.Therefore,two factors will be considered,one is the friction-induced oxidation of the?lms occurred in the environment of ionic liquid as lubricant(ionic liquid could absorb water molecules from air),and the other is corrosion wear at contact surface.From the previous studied by Li et al.[39],we know that the friction-induced oxidation of the hydrogenated DLC ?lm presented in the oxygen and/or water containing environments. Therefore,it would be considered that the friction-induced oxidation of the DLC?lm surface was involved in the friction processes and accounted for the higher wear rate of the DLC?lm.To the BCN?lms,it is known that the structural similarity between the allotropic forms of carbon and boron nitride,and the fact that BN pairs are isoelectronic to CC pairs,supports the stability of BCN compounds[15].Therefore, the atomic-level hybridized B–C–N has a stable and inert structure, tolerating sliding wear in ionic liquid conditions.On the other hand, we may also pay attention to the corrosive effect of ionic liquid to the ?lms.The water could lead to the hydrolysis of the ionic liquid with acids(e.g.hydro?uoric acid),as a result,which induces acid corrosion [40].
In order to further reveal the correlation between the corrosion and wear of the?lms under ionic liquid lubrication,the potentiody-namic polarization curves were established.Fig.9exhibited the po-tentiodynamic polarization curves of the BCN,DLC?lms,and Fe and Cu substrates in ionic liquids.To demonstrate that the ionic liquids have strong corrosive behavior to metals,Fe and Cu substrates were used as reference for corrosion https://www.doczj.com/doc/7c18710261.html,pared with the metals of Fe and Cu,a signi?cant improvement in corrosion resistance of the BCN and DLC?lms was identi?ed by a shift of the whole polarization curve towards lower current density.The corrosion current density of the?lms obtained from Fig.8was listed in Table3that the corrosion current density of BCN?lm was about twice less than that of DLC?lms.
Compared with the metals the better corrosion resistance of the BCN and DLC?lms in ionic liquid was due to that the low electrical conductivity of the?lm samples restricted the electron transport and the exchange of electrical charges on the samples surface,which is necessary for the electrochemical corrosion[41].Further,as compared with DLC?lm,BCN?lm has a lower corrosion current density and better corrosion resistance.This fact suggests that the DLC?lm has some pinholes,permitting ionic liquid to reach the inner interface.The severe pitting corrosion might occur at pinholes of DLC?lms[42].In contrast,few pinholes are present in the BCN?lms with a uniform and dense microstructure,hence microscopic channels are absent,there-fore,the BCN?lms demonstrated excellent tribological properties and corrosion resistance under the ionic liquid lubrication.
4.Conclusions
The structure characterization of BCN?lms and their tribological properties with ionic liquids as lubricant were investigated.The re-sults could be summarized as follows:
(1)XPS and FTIR analysis results revealed various B–C,B–N,nitrogen-
bound sp2-and sp3-hybridized carbon bonds to form B–C–N atomic hybrids.
(2)The BCN?lms possessed superior tribological properties under
ionic liquid lubrication,characterized by high load-carrying capacities,better wear resistance,low friction,and long anti-wear life.
(3)Under ionic liquid condition,the BCN?lm demonstrated ex-
cellent tribological properties and corrosion resistance as com-pared with DLC?lm.This may be attributed to the atomic-level hybridized B–C–N formed in our?lms without hydrogen ha-ving a uniform,stable and inert structure.
These observations may open the possibility of further research in order to combine the ionic liquid lubricant with corrosion resistance ?lms for practical applications.The correlation between the composi-tion of BCN?lms and tribological properties and corrosion resistance under the lubrication of ionic liquids is needed to be revealed in detail in future.
Acknowledgements
The work was supported in?nance by the863program of Chinese Ministry of Science and Technology with grant No.2007A30Z338and National Science Foundation of China with grant No.50721062. References
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离子液体概述及其应用 前言：离子液体是仅由阴阳两种离子组成的有机液体，也称之为低温下的熔盐。离子液体具有低蒸汽压，良好的离子导电导热性，液体状态温度范围广和可设计性等优点。离子液体所具备的这些其他液体无法比拟的性质，给大部分传统化工反应提供了新的思路，特别是在绿色化学设计中的应用。本文首先阐述了离子液体的基础知识，而后着重讨论了离子液体在催化及有机合成领域，摩擦领域，生物医药领域中的应用。 主题： 一 离子液体概述 1.1离子液体的发展及性质 20世纪时“离子液体”（IL ）仅仅是表示熔融盐或溶盐的一个术语，比如高温盐。现在，术语IL 大部分广泛的用在表示在液态或接近室温条件下存在的熔盐。早在1914年，Walden [1]合成出乙基硝酸铵，熔点为12℃，但当时这一发现并未引起关注。20世纪40年代，Hurley 等人报道了第一个氯铝酸盐离子液体系AlCl3-[EPy]Br 。此后对这一氯铝酸盐离子液体系进行了不断的扩充，包括各种基团修饰，如N-烷基吡啶，1,3-二烷基咪唑等，另外研究了此类离子液体系在电化学，有机合成以及催化领域的应用并有很好的效果[2]。但是由于此类离子液体共同的缺点就是遇水反应生成腐蚀性的HCl ，对水和空气敏感，从而限制了他们的应用。所以直到1992年，Wilkes [3]领导的小组合成了一系列由咪唑阳离子与-4BF ，-6PF 阴离子构成的对水和空气
都很稳定的离子液体。此后在全世界范围内形成了研究离子液体的热潮。这是由于ILs 存在很多优异而特殊的性质。（1）液体状态温度范围广，300℃；（2）蒸汽压低，不易挥发；（3）对有机物，无机物都有很好的溶解性，是许多化学反应能够在均相中完成；（4）密度大，与许多溶剂不溶，当用另一溶剂萃取产物时，通过重力作用，可实现溶剂与产物的分离；（5）较大的可调控性；（6）作为电解质具有较大的电化学窗口，良好的导电性，热稳定性。这些特殊的物理化学性质可以产生许多新应用，同时也会提高现有的科技水平。到目前为止，已经合成并报道了大量的ILs ，图1显示了典型的阳离子结构，阴离子结构和侧基链[4]。我们可以通过选择合适的离子组成从而实现ILs 物理化学性质的设计。比如说咪唑阳离子（1-丁基-3-甲基咪唑阳离子）和-4BF 或-4AlCl 组合，生成的离子液体是亲水性的，而同样的阳离子和 -6PF 或-2NTf 产生的是强憎水性的离子液体。 目前研究较多的是咪唑阳离子和吡啶阳离子与含氟阴离子构成的离子液体。
离子液体的应用前景 离子液体是指全部由离子组成的液体，如高温下的KCI,KOH呈液体状态，此时它们就是离子液体。在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，称为室温离子液体、室温熔融盐、有机离子液体等，目前尚无统一的名称，但倾向于简称离子液体。在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力为库仑力，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，它们之间的作用力越小，这种离子化合物的熔点就越低。某些离子化合物的阴阳离子体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，以至于熔点接近室温。 离子液体的优点 一、离子液体无味、不燃，其蒸汽压极低，因此可用在高真空体系中，同时可减少因挥发而产生的环境污染问题； 二、离子液体对有机和无机物都有良好的溶解性能，可使反应在均相条件下进行，同时可减少设备体积； 三、可操作温度范围宽（-40～300℃），具有良好的热稳定性和化学稳定性，易与其它物质分离，可以循环利用； 四、表现出Lewis、Franklin酸的酸性，且酸强度可调。 上述优点对许多有机化学反应，如聚合反应、烷基化反应、酰基化反应，离子溶液都是良好的溶剂。 离子液体的应用前景 迄今为止，室温离子液体的研究取得了惊人的进展。北大西洋公约组织于2000年召开了有关离子液体的专家会议；欧盟委员会有一个有关离子液体的3年计划；日本、韩国也有相关研究的相继报道。在我国，中国科学院兰州化学物理研究所西部生态绿色化学研究发展中心、北京大学绿色催化实验室、华东师范大学离子液体研究中心等机构也开展专门的研究。兰州化学物理研究所已在该领域取得重大突破，率先制备了多种咪唑类离子液体润滑剂。 世界领先的离子液体开发者—德国SolventInnovation公司即将推出数以吨计的商品。SolventInnovation公司也正在开发一系列的离子液体，以取代对环境极有害的溶剂。其
制动摩擦材料高速摩擦学性能的主要影响因素Ξ 马东辉张永振陈跃官宝 (河南科技大学材料科学与工程学院河南洛阳 471039 摘要 :综述了高速条件下速度、温度、压力对制动材料摩擦学性能的影响。重点讨论了摩擦表面的相对滑动速度对摩擦学性能的影响。 关键词 :相对滑动速度压力温度 The Main Influencing F actor of H igh 2speed Friction Ma Donghui Zhang Y ongzhen Chen Y ue Shangguan Bao (Department of Materials Science , Henan University of Science &T echn ology , Lu oyang 471039, China Abstract :The in fluence of friction under different pressure , temperature and slide velocity condition introduced , and the in fluence of relative slide velocity on the frictional interfaces was discussed. K eyw ords :R elative Slide V elocity Pressure T emperature 高速摩擦学 , 是研究摩擦副处在相对高的滑动速度时 , 两个表面之间相互作用、践的学科。 , 对制动装置及制动材料的性能也提出了更高的要求。例如制动材料要有足够而稳定的摩擦系数 , 动、静摩擦系数之差小 ; 良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度 ; 良好的耐磨性和抗粘着性 , 不易擦伤对偶件 , 无噪声 ; 低成本 , 对环境无污染等。传统的制动材料已不能满足高速条件下的需要 , 这就必须开发新的摩擦制动材料 , 研究高速摩擦条件下各种因素对材料摩擦学性能的影响。但这方面前人的研究工作不多 , 本文综述了这方面的研究进展 , 着重讨论了高速条件下速度、温度、正压力对材料摩擦学性能的影响。
第十章磨擦与润滑 机械的润滑是为了降低两个相对运动的接触表面(简称摩擦副)间的摩擦及磨损。良好的润滑能提高机械效率，保证机械长期可靠地工作，节约能源。润滑不良的机械，轻则功率降低，磨损增大；重则使机械损坏。 一.磨擦与润滑的概念 当两个紧密接触的物体沿着它们的接触面作相对运动时，会产生一个阻碍这种运动的阻力，这种现象叫摩擦，这个阻力就叫做摩擦力。摩擦力与垂直载荷的比值叫做摩擦系数。摩擦定律可描述如下： 1.摩擦力与法向载荷成正比：F∝W 2.摩擦力与表面接触无关，即与接触面积大小无关。 3.摩擦力与表面滑动速度的大小无关。 4.静摩擦力(有运动趋向时)F S大于动摩擦力F K，即Fs＞F K。 摩擦定律公式： F＝f·W 或f＝F／W 式中f——摩擦力； W——法向载荷，即接触表面所受的载荷； 机器中凡是互相接触和相互之间有相对运动的两个构件组成的联接称为“运动副”(也可称为“摩擦副”)，如机床里的滑块与导轨；滚动轴承里的滚珠与套环；滑动轴承的轴瓦与轴径等等。任何机器的运转都是靠各种运动副的相对运动来实现，而相对运动时必然伴随着摩擦的发生。摩擦首先是造成不必要的能量损失，其次是使摩擦副相互作用的表面发热、磨损乃至失效。 磨损是运动副表面材料不断损失的现象，它引起了运动副的尺寸和形状的变化，从而导致损坏。例如油在轴承内运转，轴承孔表面和轴径逐渐磨损，间隙逐渐扩大、发热，使得机器精度和效率下降，伴随着产生冲击载荷，摩擦损失加大，磨损速度加剧，最后使机器失效。 润滑是在相对运动部件相互作用表面上涂有润滑物质，把两个相对运动表面隔开，使运动副表面不直接发生磨擦，而只是润滑物质内部分子与分子之间的摩擦。
第八章摩擦和润滑 第一节摩擦与润滑机理 当两个紧密接触的物体沿着它们的接触面作相对运动时，会产生一个阻碍这种运动的阻力，这种现象叫摩擦，这个阻力就叫做摩擦力。摩擦力与垂直载荷的比值叫做摩擦系数。摩擦定律可描述如下： (1)摩擦力与法向载荷成正比：F∝P (2)摩擦力与表面接触无关，即与接触面积大小无关。 (3)摩擦力与表面滑动速度的大小无关。 (4)静摩擦力(有运动趋向时)F S大于动摩擦力F K，即Fs＞F K。 摩擦定律公式： F＝f·P 或f＝F／P 式中F——摩擦力 f——摩擦系数； P——法向载荷，即接触表面所受的载荷； 载荷 机器中凡是互相接触和相互之间有相对运动的两个构件组成的联接称为“运动副”(也可称为“摩擦副”)，如滚动轴承里的滚珠与套环；滑动轴承的轴瓦与轴径等等。任何机器的运转都是靠各种运动副的相对运动来实现，而相对运动时必然伴随着摩擦的发生。摩擦首先是造成不必要的能量损失，其次是使摩擦副相互作用的表面发热、磨损乃至失效。 磨损是运动副表面材料不断损失的现象，它引起了运动副的尺寸和形状的变化，从而导致损坏。例如油在轴承内运转，轴承孔表面和轴径逐渐磨损，间隙逐渐扩大、发热，使得机器精度和效率下降，伴随着产生冲击载荷，摩擦损失加大，磨损速度加剧，最后使机器失效。 润滑是在相对运动部件相互作用表面上涂有润滑物质，把两个相对运动表面隔开，使运动副表面不直接发生磨擦，而只是润滑物质内部分子与分子之间的摩擦。 所以，摩擦是运动副作相对运动时的物理现象，磨损是伴随摩擦而发生的事实，润滑则是减少摩擦、降低磨损的重要措施。
第二节摩擦分类 摩擦有许多分类法。 1. 按摩擦副运动状态分 静磨擦：一个物体沿着另一个物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦，叫做静摩擦。这种摩接力叫做静摩擦力。静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。当外力克服了最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。 动磨擦：一个物体沿着另一个物体表面相对运动时产生的摩擦叫做动摩擦。这时，产生的阻碍物体运动的切向力叫做动摩擦力。 2. 按摩擦副接触形式分 滑动摩擦：接触表面相对滑动时的摩擦叫做滑动摩擦。 滚动磨擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦叫做滚动摩擦。 3. 按摩擦副表面润滑状态分。 干摩擦：指既无润滑又无湿气的摩擦。 边界摩擦：指摩擦表面有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦。这时，摩擦不取决于润滑剂的粘度，而是取决于接触表面和润滑剂的特性。边界摩擦时，不能避免金属的直接接触，这时仍有微小的摩擦力产生，其摩擦系数通常约0.1左右。 混合摩擦：属于过度状态的摩擦，包括半干摩擦和半流体摩擦。半干摩擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。半流体摩擦是指同时有液体摩擦和干摩擦的情况。混合摩擦能有效的降低摩擦力，其摩擦系数要比边界摩擦小的多。但因表面间仍有轮廓峰的直接接触，所以不可避免的仍有磨损存在。 流体摩擦：即流体润滑条件下的摩擦。这时两表面完全被液体油膜隔开，摩擦表现为由粘性流体引起。摩擦系数极小（油润滑时约为0.001－0.008），而且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。 炼油化工设备中的一些摩擦副的工作条件是复杂的，如处于高速、高温、或低温、真空等苛刻环境条件下工作，其摩擦、磨损情况也各有不同的特点。
摩擦与润滑总结 1.摩擦学与塑性摩擦学、研究摩擦学的作用 2.塑性摩擦学与弹性摩擦学的比较 -----属性摩擦学中的摩擦偶有一个是出于塑性变形状态，摩擦条件更为恶劣，如高温高压高速等，使塑性摩擦学的研究更为复杂更有特殊性。弹性摩擦学中基体出于弹性变形范围内，如一般的机械摩擦。 3.干摩擦（纯净摩擦）：理论上指接触面上没有任何润滑剂和污染膜的摩擦。实际上是指没有人为地在工模具与工件之间添加润滑剂的摩擦。 4.塑性条件下摩擦的本质 ------是表层金属的流动剪切变形过程。 5.常摩擦应力摩擦定律 6.边界润滑、流体润滑的特点、边界润滑膜的作用本质 ----润滑表面被性质与润滑剂体积性质不同，且仅为几个分子后的润滑膜所隔开的润滑状态称为边界润滑。 ===边界润滑中其润滑作用的膜称为边界膜。 --====吸附膜：润滑剂的极性分子吸附在摩擦表面上所形成的边界膜 =======反应膜：摩擦表面的氧及润滑油添加剂中的P、Cl等元素发生化学反应所形成的膜。 7.表面张力 -----物体表层的分子或原子受到的引力不平衡，使液体或固体表面产生一种自动收缩的力称为表面张力。 ----润滑油的表面张力比金属表面的张力小就可以产生润滑，而且差值越大，润滑效果越好。表面张力作用在表面上，力图使表面积减少，表面能越低的面摩擦也越小。 8.表面接触面积的分类、表面接触率 表面接触面积分为; 名义接触面积：表面外观面积。 轮廓接触面积：物体接触面积被压皱的部分所形成的面积。 真实接触面积：轮廓接触面积内，各真实接触部分的微小面积的总和。 表面接触率：真实接触面积和名义接触面积的比值。 9.用表面接触率分析各种条件下的表面接触状况 -----1、静态条件下 --由于在一般条件下面积接触率只有0.01-0.1%，而且真实接触面积分散成一些接触点，并由它们支撑物体重量与外加载荷，真实接触点上的接触应力很大，是表面凸峰产生塑性变形，表面污染膜被破坏，新鲜表面露出，因此高压下很容易发生金属粘着。 -----2、滑动条件下 ---在机械及金属压力加工的实际条件下，接触表面都有相对滑动，在真实接触面上将同时受到法向压应力及摩擦应力的联合作用，使得真实接触面积有比较大的增加。-----3、金属表面有污染膜或润滑膜时 -----4、半连续流体润滑条件下的表面接触 10.塑性粗糙化及其产生原因、影响表面粗糙化程度的因素 影响表面粗糙化的因素有：金属的性质、组织状态、变形程度。 11.摩擦和摩擦阻力产生的原因
第21卷第2期高分子材料科学与工程Vo l.21,N o.2 2005年3月POLYM ER M AT ERIALS SCIENCE AND ENGINEERING M ar.2005 PTFE复合材料的摩擦学性能及力学性能X 张招柱,曹佩弦,王 坤,刘维民 (中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000) 摘要:利用M M-200型磨损试验机,对不同填料填充PT FE复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,并探讨了淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能的影响。研究发现,几乎所有填料均可大大降低PT FE复合材料的磨损,但其对P T FE复合材料性能的影响差别较大。聚苯脂填充P T F E复合材料虽然具有良好的摩擦磨损性能,但是其拉伸强度较小。P I增大了PT FE复合材料的摩擦系数,随着P I含量的增加,P T F E复合材料的拉伸强度增大,而其伸长率则减小。CdO填充P T F E复合材料虽具有良好的摩擦性能,但其伸长率较大。淬火处理使PT FE复合材料的结晶度下降,从而导致P T F E复合材料的硬度减小、耐磨性变差。 关键词:P T F E复合材料;摩擦磨损;力学性能 中图分类号:O631.2+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2005)02-0189-04 聚四氟乙烯(PTFE)是一种优异的固体润滑材料,它具有低的摩擦系数和良好的化学稳定性及热稳定性,但PT FE的耐磨性较差。目前,人们已用不同种类的填料对PTFE进行填充改性,并对PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了大量的研究[1～4],但是淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能影响的研究尚未见有详细报道。本文着重采用聚酰亚胺、聚苯脂、CdO、Cu粉、玻璃纤维及炭纤维等对PTFE进行填充改性,利用MM-200型磨损试验机对PT FE复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行了研究,并探讨了淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能的影响。 1 实验部分 将Cu粉、Pb粉、CdO粉、石墨(Gr)、玻璃纤维(GF)、炭纤维(CF)、聚酰亚胺(PI)、聚苯脂(Ekonol)等(粒度小于76L m)以一定的体积比添加到PT FE粉末(粒度39L m)中,混合均匀后冷压成型,然后在空气中自由烧结,其中部分样品作淬火处理。样品尺寸为30m m×7mm ×6mm,对偶为直径40m m的45#钢环,样品及45#钢环表面均用900#水砂纸抛光打磨。在室温、干摩擦条件下,利用M M-200型磨损试验机对PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了评价。在每次试验前,将样品及对偶表面用丙酮棉球擦洗干净,并在空气中晾干。本试验所选用的负荷为200N,速度为0.42m/s,摩擦磨损试验时间均为120min。磨损量以试验后样品表面的磨痕宽度计。通过测量摩擦力矩,进而计算出摩擦系数,摩擦系数取后60m in内的平均值。硬度测定在布洛维显微硬度计上进行。拉伸性能在LJ500型拉力试验机上进行,试样尺寸按GB/T1040-92规定,采用I型试样。 2 结果与讨论 T ab.1给出了PT FE复合材料的摩擦磨损及力学性能测试结果。可以看出,几乎所有填料均可大大降低PT FE复合材料的磨损,极大地提高PTFE复合材料的耐磨性。同时,填料的加入均在不同程度上提高了PT FE复合材料的硬度,但却降低了PT FE复合材料的拉伸强度(5#样品除外)和伸长率。在本试验所选用 X收稿日期:2003-06-03;修订日期:2003-08-08 作者简介:张招柱(1965-),男,博士,研究员. E-mail:zz zhang@https://www.doczj.com/doc/7c18710261.html,
离子液体概述及其应用前言：离子液体是仅由阴阳两种离子组成的有机液体，也称之为低温下的熔盐。离子液体具有低蒸汽压，良好的离子导电导热性，液体状态温度范围广和可设计性等优点。离子液体所具备的这些其他液体无法比拟的性质，给大部分传统化工反应提供了新的思路，特别是在绿色化学设计中的应用。本文首先阐述了离子液体的基础知识，而后着重讨论了离子液体在催化及有机合成领域，摩擦领域，生物医药领域中的应用。 主题： 一离子液体概述 1.1离子液体的发展及性质 20世纪时“离子液体”（IL）仅仅是表示熔融盐或溶盐的一个术语，比如高温盐。现在，术语IL大部分广泛的用在表示在液态或接近室温条件下存在的熔盐。早在1914年，Walden[1]合成出乙基硝酸铵，熔点为12℃，但当时这一发现并未引起关注。20世纪40年代，Hurley等人报道了第一个氯铝酸盐离子液体系AlCl3-[EPy]Br。此后对这一氯铝酸盐离子液体系进行了不断的扩充，包括各种基团修饰，如N-烷基吡啶，1,3-二烷基咪唑等，另外研究了此类离子液体系在电化学，有机合成以及催化领域的应用并有很好的效果[2]。但是由于此类离子液体共同的缺点就是遇水反应生成腐蚀性的HCl，对水和空气敏感，从而限制了他们的应用。所以直到1992年，Wilkes[3]领导的小组合成了一系列由咪唑阳离子与 BF， 4
-6PF 阴离子构成的对水和空气都很稳定的离子液体。此后在全世界范 围内形成了研究离子液体的热潮。这是由于ILs 存在很多优异而特殊的性质。（1）液体状态温度范围广，300℃；（2）蒸汽压低，不易挥发；（3）对有机物，无机物都有很好的溶解性，是许多化学反应能够在均相中完成；（4）密度大，与许多溶剂不溶，当用另一溶剂萃取产物时，通过重力作用，可实现溶剂与产物的分离；（5）较大的可调控性；（6）作为电解质具有较大的电化学窗口，良好的导电性，热稳定性。这些特殊的物理化学性质可以产生许多新应用，同时也会提高现有的科技水平。到目前为止，已经合成并报道了大量的ILs ，图1显示了典型的阳离子结构，阴离子结构和侧基链[4]。我们可以通过选择合适的离子组成从而实现ILs 物理化学性质的设计。比如说咪唑阳离子（1-丁基-3-甲基咪唑阳离子）和-4BF 或-4AlCl 组合，生成的离子液 体是亲水性的，而同样的阳离子和-6PF 或-2NTf 产生的是强憎水性的离 子液体。目前研究较多的是咪唑阳离子和吡啶阳离子与含氟阴离子构成的离子液体。
期末报告 学 院：材料工程学院 专 业：材料工程 学 号： 姓 名： 任课教师：赵元聪 日期：20160107
石墨烯的表面改性以其摩擦学中的应用 摘要 介绍石墨烯特点的基础上，综述了石墨烯表面改性的研究情况，包括有机小分子及聚合物改性无机改性以及元素掺杂等，同时总结了石墨烯在摩擦领域中的应用，如作为润滑油添加剂，制备纳米复合材料，制备润滑膜等，并展望了其在该领域中未来的研究方向。 1.介绍 石墨烯是碳原子以SP2杂化的单层堆积而成的蜂巢状二维原子晶体，其化学形态与碳纳米管外表面相似，表面结构较碳纳米管更为开放，且杨氏模量和本征强度也可与碳纳米管相媲美，从而表现出与碳纳米管相似的应用特性，如良好的韧性和润滑性，可用于耐磨减损材料及润滑剂的制备等。近年来，石墨烯优异的摩擦性能已引起了人们越来越多的关注，其片层滑动，摩擦磨损机理及在摩擦领域的应用已有诸多研究和报道。然而，结构完整的石墨烯化学稳定性高，与其他介质相互作用较弱，且层间存在很大的范德华引力，难以在许多常见溶剂中分散形成稳定的溶液，给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难。本文重点介绍石墨烯的表面改性研究进展及其在摩擦领域中的相关应用。 2.制备方法简介 2004年Geim等[1]首次用微机械剥离法成功获得单层的石墨烯以来其特有的电学、热学、力学等性质引起了科学家的广泛关注。随着研究的深入展开,石墨烯的制备方法也越来越多样化，目前主要的方法有微机械剥离法、氧化还原法、溶剂剥离法、化学气相沉积法和外延生长法等[2]。由于石墨烯超薄的厚度及优异的摩擦性能，使其在纳米尺寸数据存储设备、纳米复合材料和纳米机电系统中具有很大的潜在应用价值。这就使得石墨烯与其它材料接触时表面的相互作用研究，如摩擦力、粘附力和磨损等,显得尤为重要。
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触时，瞬间闪火的最低温度为该油的闪点。（1分）若闪火时间长达5秒，则该温度即为这种润滑油的燃点。（1分） 8、固体润滑剂 答：为防止与保护相互运动的表面不受损害，以及减少摩擦副的摩擦与磨损而在运动表面使用的粉末状或薄膜状的固体物质，即叫固体润滑剂 9、强制润滑 答：用油泵将润滑油等输送到需润滑的机件部位的方法叫强制润滑。 10、摩擦学及摩擦学的研究对象 答：研究发生在作相对运动的表面（界面）上的各种现象产生、变化和发展的规律及其应用的一门科学（1分）。研究对象摩擦、磨损(包括材料转移)和润滑(包括固体润滑)的原理及其应用。（1分）。 二、填空题（10小题每题2分共20分） 1、通常所说的表面形状误差是由加工过程的（固有误差）引起的与要求形状的偏差。 2、两个粗糙表面的接触通常是一个（弹性变形）和（塑性变形）并存的混合系统。 3、大气中很少遇到纯净表面，金属表面总有一层膜，它可能是（氧化膜）或（污染膜）。 4、粘着磨损按磨损程度分为（轻微磨损）（涂抹）、（刮伤）、（胶合）和（咬死）五种。 5、在接触疲劳强度的基本准则中，（最大剪应力max 45. ）准则应用更广泛。 6、机器零件典型磨损过程分为（磨合）阶段、（正常磨损）阶段和（事故磨损）阶段 7、恒量磨损特性的主要参数是（磨损率），经常采用的有(三)种。 8、粘度是液体流动时在液体分子之间的（内摩擦），即流体膜的（剪切阻力）。 9、润滑油的基本构成成分时（基础油）和（添加剂）。 10、润滑脂的基本组分是（基础油）、（稠化剂）、（添加剂）和（稳定剂）。 三、 问答题（5小题每题4分共20分） 1、古典摩擦理论有哪几种？ 答：1）机械咬合理论。2）分子吸引理论。3）库仑摩擦定律。 2、如何依据ψ判断表面接触状态？ 答：表面粗糙度Rq 增加时，ψ也增大，表示微凸体接触部分容易过渡到塑性变形。 ψ<0.6―――完全弹性接触（1分） ψ>10―――完全塑性接触（1分） 0.6≤ψ≤10―――弹性和塑性变形同时存在（2分） 3、磨损的定义和特征是什么？ 答：磨损是由于机械作用和(或)化学反应(包括热化学、电化学和力化学等反应)，在固体的摩擦表面上产生的一种材料逐渐损耗的现象，这种损耗主要表现为固体表面尺寸和(或)形状的改变。（2分） 磨损的三个主要特征：1) 磨损是发生在物体上的一种表面现象；2) 磨损是发生在物体摩擦表面上的一种现象，其接触表面必须有相对运动；3) 磨损必然产生物质损耗(包括材料转移)，而且它是具有时变特征的渐进的动态过程。（2分） 4、选择润滑方法时需考虑的因素有哪些？ 答：选择润滑方法时应考虑载荷、速度、摩擦副的运动形式与分布、所选润滑剂的种 类、供给量、机器的结构、精密程度和工作环境等。（1分）
离子液体概述及其应 用
离子液体概述及其应用前言：离子液体是仅由阴阳两种离子组成的有机液体，也称之为低温下的熔盐。离子液体具有低蒸汽压，良好的离子导电导热性，液体状态温度范围广和可设计性等优点。离子液体所具备的这些其他液体无法比拟的性质，给大部分传统化工反应提供了新的思路，特别是在绿色化学设计中的应用。本文首先阐述了离子液体的基础知识，而后着重讨论了离子液体在催化及有机合成领域，摩擦领域，生物医药领域中的应用。 主题： 一离子液体概述 1.1离子液体的发展及性质 20世纪时“离子液体”（IL）仅仅是表示熔融盐或溶盐的一个术语，比如高温盐。现在，术语IL大部分广泛的用在表示在液态或接近室温条件下存在的熔盐。早在1914年，Walden[1]合成出乙基硝酸铵，熔点为12℃，但当时这一发现并未引起关注。20世纪40年代，Hurley等人报道了第一个氯铝酸盐离子液体系AlCl3-[EPy]Br。此后对这一氯铝酸盐离子液体系进行了不断的扩充，包括各种基团修饰，如N-烷基吡啶，1,3-二烷基咪唑等，另外研究了此类离子液体系在电化学，有机合成以及催化领域的应用并有很好的效果[2]。但是由于此类离子液体共同的缺点就是遇水反应生成腐蚀性的HCl，对水和空气敏感，从而限制了他们的应用。所以直到1992
年，Wilkes [3]领导的小组合成了一系列由咪唑阳离子与-4BF ，-6PF 阴 离子构成的对水和空气都很稳定的离子液体。此后在全世界范围内形成了研究离子液体的热潮。这是由于ILs 存在很多优异而特殊的性质。（1）液体状态温度范围广，300℃；（2）蒸汽压低，不易挥发；（3）对有机物，无机物都有很好的溶解性，是许多化学反应能够在均相中完成；（4）密度大，与许多溶剂不溶，当用另一溶剂萃取产物时，通过重力作用，可实现溶剂与产物的分离；（5）较大的可调控性；（6）作为电解质具有较大的电化学窗口，良好的导电性，热稳定性。这些特殊的物理化学性质可以产生许多新应用，同时也会提高现有的科技水平。到目前为止，已经合成并报道了大量的ILs ，图1显示了典型的阳离子结构，阴离子结构和侧基链[4]。我们可以通过选择合适的离子组成从而实现ILs 物理化学性质的设计。比如说咪唑阳离子（1-丁基-3-甲基咪唑阳离子）和-4BF 或-4AlCl 组合，生成的离子液体是亲水性的，而同样的阳离子和-6PF 或-2NTf 产生的是强憎水性的离子液体。目前研究较多的是咪唑阳离子和吡啶阳离子与含氟阴离子构成的离子液体。
1、基本概念基本概念基本概念基本概念 摩擦学：摩擦学（Tribology）一词是1966年才开始使用的，是研究相互作用表面发生相对运动时的有关科学、技术和实践的一门综合性科学技术，其基本内容就是研究机械中的摩擦、磨损和润滑问题。摩擦：两个相互作用的物体在外力作用下发生相对运动时所产生的阻碍运动的阻力称为“摩擦力”，这种现象称之为“摩擦”。磨损：摩擦副之间发生相对运动时引起接触表面上材料的迁移或脱落过程称之为磨损。润滑：在两物体相对运动表面之间施加润滑剂，以减少接触表面间的摩擦和磨损。 2、基本原理：摩擦原理的早期认识及基本观点： 答：凹凸说：1、认为摩擦的起因是一个凸凹不平的表面沿另一‘表面上的微凸物体上升所作的功，也就是说摩擦是由于表面凸凹不平而引起，即摩擦的凹凸学说。2、库仑在解释摩擦起因时，他认为首先是接触表面凹凸不平的机械啮合力，其次是分子之间的粘附力。虽然，他已认识到粘附在摩擦于可能起一定作用．但是次要的，粗糙表面的微凸体才是主要的。粘附说：1、摩擦粘附说：认为摩擦力的真正原因在于接触摩擦区两表面之间的分子粘附作用。2、表面分子吸引力理论：认为摩擦是接触表面分子间相互排斥力与相互吸引力的作用结果。3、分子机械摩擦理论：认为机械与分子吸附是摩擦之源。摩擦与接触面微凸体的弹塑性变形、微凸体相遇时的剪切、犁沟以及接触面分子吸引有关。4、近代被公认的摩擦粘附理论：认为表观接触面积与真实接触面积差别很大，而且真实接触面积还会随摩擦条件而变化，两微凸体之间因存在吸附力而形成接点。摩擦力应为剪断金属之间接点所需的力与硬金属表面微凸体在软金属表面犁沟所需力之和。这一理论最初应用于两种金属之间的摩擦，现在，已深入到非金属等许多其他材料。 第一章表面性质与表面接触 1、为什么在选择润滑剂时希望其表面张力越低越好？ 答：液体的表面张力越小，接触角越小，固体表面就越容易被液体表面浸润。一般认为，液体的表面张力小于固体的表面张力即可润湿固体表面，所以在选择润滑剂时希望其表面张力越低越好。 2、物理吸附与化学吸附有何不同？ 答：物理吸附是发生在气体与固体表面接触时由于分子间的作用力(范德华力)而产生的吸附，其特征是不改变吸附层的分子结构或电子分布，所以吸附能力较弱。当温度升高时易发生解吸。化学吸附是指接触面上分子间产生了电子交换，或电子对偏移，电子的分布发生改变而形成化学结合力，结合能比物理吸附要高，在较高温度才会发生解吸。 3、金属成形过程中为什么会发生表面粗糙化现象？ 答：1、金属塑性变形的主要机制就是滑移，指晶体在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变，结果在金属的表面出现一系列的滑移台阶，这就是在适当的条件下在金属表面上所能观察到的滑移带或滑移线现象。金属的宏观塑性变形许多多的位错在多个滑移系上同时协调作用的结果。内于交叉滑移、多滑移使位错相互交割，使运动阻力增大，因此，塑性变形的结果使得在坯料或制品表面产生塑性粗糙化现象。（形成机制）2、在塑性加工过程中，工具与变形金属接触表面之间，当存在连续的足够厚度的润滑油膜时，由于过厚的油膜阻碍了变形金属表面和工具的直接接触变形过程中，金属表面如同自由表面变形，导致变形后表面产生粗糙化现象。（形成条件） 第二章材料成形摩擦理论 1、举例说明材料成形过程中摩擦的特点、作用及对成形过程的影响. 答：摩擦的特点：(1)在高压下产生摩擦。塑性成形是的接触表面上的压力很大，一般热加工时面压为100—150MPa，冷加工时高达500—2500MPa。但是，机器轴承中，接触面压通常只有20—50MPa，如此高的面压使润滑剂难以带入或易从变形取剂出去，使润滑困难及
织构对铝合金表面润湿性和摩擦学性能的影响为研究表面织构和润湿性对表面摩擦学性能的影响,利用激光加工技术在5083船用铝合金表面分别加工圆台形和正方形凹坑织构,结合低表面能修饰和 溶胶-凝胶法涂覆SiO2,制备出具有不同润湿性的疏水/油表面。采用往复摩擦实验机,实验研究表面在水、海水和油中的摩擦学性能。 基于Reynolds方程分别建立圆台形和正方形凹坑织构在流体动压润滑状态下的数学模型,并对润滑膜无量纲平均压力进行数值求解,理论分析了表面织构 对摩擦学性能的影响。主要研究内容和结果如下:激光加工并结合低表面能修饰和涂覆SiO2制备出超疏水/疏油的铝合金表面,且随凹坑深度的增大,表面的水、海水和油接触角增大。 正方形凹坑织构表面的疏水/油性能优于圆台形凹坑织构表面。当凹坑深度为30μm时,正方形凹坑织构表面的水、海水和油接触角分别达到163.3°、155.8°和128.7°。 涂覆SiO2改变了液滴与表面的黏附力,使表面的水和海水滚动角减小至2.1°和3.5°。摩擦学实验结果表明,超疏水/疏油铝合金表面的减摩耐磨性能大幅度提高。 且凹坑深度30 μm织构表面的减摩耐磨性能优于凹坑深度为15 μm的表面,圆台形凹坑织构表面的减摩耐磨性能优于正方形凹坑织构表面。圆台形凹坑织构表面在水、海水和油中的摩擦系数比光滑表面分别减小了30.5%、34.8%和48.9%。 海水介质中的摩擦系数小于水介质中的,但是磨损量却大于水介质中的。海水腐蚀物减小了摩擦系数,但却增大了磨损量,对摩擦学性能具有双重效应。 润滑膜无量纲平均压力数值求解结果表明,织构润滑膜无量纲平均压力随凹
坑深度的增大先增大后减小,当凹坑深度为75μm时,润滑膜无量纲平均压力最大。圆台形凹坑产生的润滑膜无量纲平均压力约是正方形凹坑的2.4倍。 因此,圆台形凹坑织构表面的减摩耐磨性能优于正方形凹坑织构表面,理论计算结果印证了摩擦学实验结果。为优化织构表面摩擦学性能,理论计算了摩擦滑动方向、凹坑深径比及面积率对润滑膜无量纲平均压力的影响。 当摩擦滑动方向夹角为0°时,正方形凹坑织构润滑膜无量纲平均压力达到最大值1.47。圆台形凹坑深径比和面积率分别为0.3和55%时,润滑膜无量纲平均压力达到最大值10.1。 正方形凹坑深径比和面积率分别为0.35和63%时,润滑膜无量纲平均压力达到最大值8.1。
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表面的三维形貌图 微凸体微观粗糙度 宏观粗糙度 粗糙表面的二维图 表面上的微小凸起部分称微凸体。如经过抛光研磨等加工，粗糙度显示出各向同性。
实际固体工程 表面特征往往 是以上述三种 几何形状误差 的组合形式出 现的。 4.表面微凸体 用触针式表面轮廓仪可直接测得表面的起伏不平。不过因其高度方向的放大比例远大于平面方向的。故所得图形并不能反映峰谷起伏的实际形状。而用电子显微镜观测到的表面，因其各向放大比例相等而比较真实。 由电子显微镜观测到的图形可以看到，表面上的峰与谷实际上是比较平缓的，因此人们通常取微凸体为近似的半球状、锥状或柱状来进行几何因正态分布曲线高度Z i 微凸体的高度分布曲线 凡经过一般机械加工的表 面，其微凸体高度的分布通 常接近于正态分布（高斯分 ∞±正态分布曲线理论上应延伸到处。 的范围内已包括了99.5％的高度（σ为分布的标准差）。
根据固体物理的观点，结晶固体表面是晶体
在两个方向延伸的缺陷成为面缺陷，也称为 金属一般是多晶体，它是有许多晶粒组成，因而存在晶粒边界面。晶界面就是一种面缺陷。此外由两个不同相之间形成的相界面也是一种面 表面结构缺陷模型立方晶系中几个可能滑移的晶面 三、金属表面层的结构组成 金属表面层一般由金属表面以上的外表
内表面层主要是在加工过程中形成的冷硬层和变形层。 是在表面加工时，由于表面分 子层熔化和流动而形成的一种非结晶层或具有非常 细的一层结晶组织（厚度约0.1μm）。 变形层是由于表面加工产 生的弹性变形和塑性变形， 以及局部高温使晶格扭曲变 形而形成的一种加工硬化层 界面是固、液、气三 相中的两个物相之间相接 触的交接部分。它不是一 个简单的几何平面，而是 从某一物相过渡到另一物 相的界面区或称界面相。 有一定的厚度（约几个分子厚）； 有与相邻的本体相完全不同的结构 一般宏观界面有五种类型，由于气体 与气体可以完全混合，因而在气体之 间一般不存在稳定的界面。
润滑 凡是能降低摩擦力的介质都可作为润滑材料，润滑材料亦称润滑剂。常用的润滑剂有液体、半固体和固体。 润滑材料的种类。 常用的润滑剂有下述类型 液体润滑剂（润滑油）：石油系润滑油 非石油系润滑油(动植物油和合成润滑油) 半固体润滑剂（润滑脂）：皂基（石油系基础油和合成基础油） 非皂基（石油系基础油和合成基础油） 固体润滑剂：石墨、二硫化钼等。 其中，液体润滑剂（润滑油）是最常用的润滑剂。 润滑油 简介 主要用于发动机轴承、齿轮、汽缸、活塞、连杆等部位，工作时润滑油在密闭系统中循环流动，不仅保证摩擦部件处于良好润滑状态，还能将摩擦产生的热和产物从工作面带走。现代超音速飞机发动机润滑系统的工作温度可达200～300°C以上，因此润滑油必须具有良好的热氧化安定性。发动机摩擦面的工作负荷很高，如活塞式航空发动机曲轴主轴承的负荷可达100千牛(10吨力)，涡轮喷气发动机轴承的负荷也在10千牛(1吨力)以上，润滑油必须具有承受高负荷的能力。当飞机作高空、高速飞行时，润滑系统处于高温、低压状态，要求润滑油具有低挥发性，以减少高空蒸发损失。在寒冷地区，润滑油温度降到-50～-60°C时仍应能保持良好的流动性。此外，润滑油不应含有腐蚀性物质，并与系统中的金属和橡胶等非金属材料有良好的相容性。航空发动机最初使用石油基润滑油，又称矿物油，使用温度不超过150°C,适用于亚音速飞机。40年代末合成润滑油研制成功，1952年开始在喷气发动机上使用，性能大大优越于矿物油，能满足高空、高速飞机发动机的要求。应用最广的合成润滑油是各种酯类润滑油。 发展 润滑油加氢技术经过几十年的发展，一方面如加氢处理、加氢补充精制、临氢降凝等技术已成熟并有新的进步，另一方面异构降凝等新技术日益得到应用。采用加氢新技术生产的基础油质量已接近或达到PAO合成润滑油的性能而占有明显的价格优势，为适应汽车工业与其他工业技术高速发展与更新换代打下牢固的基础。因此加氢工艺在润滑油生产中将起到巨大的作用。 石油化工科学研究院RIPP根据原油组成的不同，开发出一系列润滑油加氢新工艺，为我国炼油企业生产优质的润滑油基础油提供了强有力的技术支持。 对于润滑油高压加氢工艺，环烷基原油是世界各类原油中最高贵的资源之一，其储量仅占原油总储量的2.2%。目前世界上只有美国、委内瑞拉和中国拥有环烷基原油资源。因此如何更加合理利
内蒙古科技大学考试标准答案及评分标准 课程名称：摩擦、磨损与润滑考试班级：机械09—1-9 ： 一．名词解释（10小题每题2分共20分） 1．答：磨粒磨损是指在摩擦过程中，由于摩擦表面上硬的微突体或摩擦界面上的硬颗粒而引起材料损耗的一种磨损现象。 2．答：所谓赫兹接触指得是圆弧形物体的接触。这一理论将弹性物体的接触问题转化为静态问题处理，并假设①材料完全弹性②表面光滑③接触物体没有相对滑动④接触物体不传递切向力。 3．答：固体表面形貌的含义：是指描述固体表面特征的量，又称表面图形，表面结构、表面粗糙度或表面光洁度，它是研究固体表面几何形状的细节。 4．答：指两摩擦表面之间存在着一层与工作介质性质不同的薄膜——边界膜的摩擦润滑状态。 5．答：指向润滑部位供给润滑油的一系列给、排油及其附属装置的总称。 6．答：为了改善和提高润滑剂的性能，或使之获得某种新的性能而添加到润滑剂中的化学物质。 7．答：粘着原理认为，在载荷作用下两表面接触时，某些接触点的单
位压力很大产生的塑性变形，致使这些点形成冷焊结点。当摩擦副滑动时，克服摩擦阻力的切向里必须首先剪开结点，与此同时还要克服犁沟阻力。因此摩擦力为两种阻力之合。 8．答：滚动体不传递或传递很小的切向力沿另一个表面滚动，称为自由滚动。 9．答：滚动摩擦是指在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦。10．答：是指由含有减磨剂、抗氧剂等多效添加剂，以精制石油润滑油或合成油作为基础油，用锂基，复合锂基或聚尿化合物等稠化剂制成的。 二．填空（10个空每空2分共20分） 1．疲劳；2．磨损；3．内摩擦；4．不断损失；5．化学方法；6．矿物油；7．微观滑动、弹性滞后、塑性变形、粘着效应； 三．问答（8小题每题2.5分共20分） 1．答：（1）油润滑；（2）脂润滑；（3）固体润滑(低速、高低温、真空、辐射、腐蚀)；（4）气体润滑。 2．答：（1）粘着磨损或粘附磨损；（2）磨料磨损或磨粒磨损；（3）疲劳磨损或表面疲劳磨损；（4）腐蚀磨损或摩擦－化学磨损。（5）其他。包括侵蚀磨损或冲蚀磨损和微动磨损等。
不锈钢表面强化及摩擦学性能研究 不锈钢具有良好的耐腐蚀性、强韧性与易维护等特点,在航空航天、化工、冶金以及海洋等领域中应用广泛。表面强化技术是一种应用表面工程技术对零件表面进行改性或者涂覆镀层的技术,可以对不锈钢表面进行强化,从而提高其摩擦学性能,延长其使用寿命。 金属铬(Cr)具有硬度高和耐磨减摩性能好等特点。碳纳米管(CNT)和石墨烯(graphene)具有机械强度高和润滑性能好等特点,已成为表面强化中的典型纳米添加材料。 为了提高420不锈钢的耐磨减摩性能,本课题开发了酸化多壁碳纳米管(MWCNT)和氧化石墨烯(GOS)与六价Cr复合电镀新工艺,并利用复合电镀技术制备了Cr基碳纳米材料复合镀层,研究了它们的耐磨减摩性能。具体内容如下:1.分别采用改进的Hummers法和CNT酸化法制备GOS和酸化MWCNT,并利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜、拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱对GOS和酸化MWCNT进行形貌和结构表征。 结果表明,GOS和酸化MWCNT表面存在含氧官能团。然后将它们分别加入到电镀溶液中,并采用超声分散的方法分别制备出含有GOS与酸化MWCNT的复合电镀溶液。 最后通过复合电镀技术将金属Cr分别与不同浓度的GOS和酸化MWCNT在不同电镀温度与电流密度条件下进行共沉积,制备出MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层。 2.利用SEM对MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层进行表征。 结果表明,在复合镀层表面可明显观察到酸化MWCNT或GOS,这说明金属Cr 与酸化MWCNT和GOS均实现了共沉积。3.对复合镀层的硬度及耐磨减摩性能进行
表征,研究了电流密度、电镀温度以及碳纳米材料浓度对复合镀层的硬度与耐磨减摩性能的影响。 研究结果表明:(1)纯Cr层、MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层的硬度随着电流密度与碳纳米材料浓度的提高而提高,随着电镀温度的上升而降低,且复合镀层的硬度均比纯Cr层高;(2)纯Cr层、MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层的摩擦系数随着电流密度、电镀温度以及碳纳米材料浓度的上升呈现先下降后上升的变化趋势,且复合镀层的摩擦系数均比纯Cr层低;(3)纯Cr层、MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层的磨损量随着电流密度与碳纳米材料浓度的提高而下降,随电镀温度的下降而降低,且复合镀层的磨损量均比纯Cr层低。总之,Cr基碳纳米材料复合镀层的硬度比纯Cr层高,摩擦系数与磨损量比纯Cr层低,表明由于酸化MWCNT与GOS具有的高机械强度与超润滑性能,导致它们对复合镀层起到了良好的强化作用。
表面摩擦与磨损 一、摩擦与磨损的定义 摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是:任一工作表面的物质,由于表面相对运动而不断损失的现象。 据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性。 二、摩擦的分类及评价方法 在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以根据摩擦副之间的状态不同分类，摩擦可以分为：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，如图2－1所示。 图2-1 摩擦状态
1、干摩擦 当摩擦副表面间不加任何润滑剂时，将出现固体表面直接接触的摩擦（见图2-1a），工程上称为干摩擦。此时，两摩擦表面间的相对运动将消耗大量的能量并造成严重的表面磨损。这种摩擦状态是失效，在机器工作时是不允许出现的。由于任何零件的表面都会因为氧化而形成氧化膜或被润滑油所湿润，所以在工程实际中，并不存在真正的干摩擦。 2 、边界摩擦 当摩擦副表面间有润滑油存在时，由于润滑油与金属表面间的物理吸附作用和化学吸附作用，润滑油会在金属表面上形成极薄的边界膜。边界膜的厚度非常小，通常只有几个分子到十几个分子厚，不足以将微观不平的两金属表面分隔开，所以相互运动时，金属表面的微凸出部分将发生接触，这种状态称为边界摩擦（见图2-1b）。当摩擦副表面覆盖一层边界膜后，虽然表面磨损不能消除，但可以起着减小摩擦与减轻磨损的作用。与干摩擦状态相比，边界摩擦状态时的摩擦系数要小的多。 在机器工作时，零件的工作温度、速度和载荷大小等因素都会对边界膜产生影响，甚至造成边界膜破裂。因此，在边界摩擦状态下，保持边界膜不破裂十分重要。在工程中，经常通过合理地设计摩擦副的形状，选择合适的摩擦副材料与润滑剂，降低表面粗糙度，在润滑剂中加入适当的油性添加剂和极压添加剂等措施来提高边界膜的强度。 3 、流体摩擦 当摩擦副表面间形成的油膜厚度达到足以将两个表面的微凸出部分完全分开时，摩擦副之间的摩擦就转变为油膜之间的摩擦，这称为流体摩擦（见图2－1c）。形成流体摩擦的方式有两种：一是通过液压系统向摩擦面之间供给压力油，强制形成压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体静压摩擦；二是通过两摩擦表面在满足一定的条件下，相对运动时产生的压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体动压摩擦。流体摩擦是在流体内部的分子间进行的，所以摩擦系数极小。 4 、混合摩擦 当摩擦副表面间处在边界摩擦与流体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。在一般机器中，摩擦表面多处于混合摩擦状态（见图2－1d）。混合摩擦时，表面间的微凸出部分仍有直接接触，磨损仍然存在。但是，由于混合摩擦时的流体膜厚度要比边界摩擦时的厚，减小了微凸出部分的接触数量，同时增加了流体膜承载的比例，所以混合摩擦状态时的摩擦系数要比边界摩擦时小得多。 三、磨损的分类及评价方法 摩擦副表面间的摩擦造成表面材料逐渐地损失的现象称为磨损。零件表面磨损后不但会影响其正常工作，如齿轮和滚动轴承的工作噪声增大，而承载能力降