摘要：研究了离子液体-纳米高岭土复合添加剂对船机设备减摩性能的影响规律，利用HK09型环块式摩擦磨损试验机，研究了两种润滑剂及其混合物在CD40润滑油中的减摩行为，利用扫描电子显微镜对摩擦表面进行表征。结果表明，CD40润滑油摩擦因数较高，最高摩擦因数约为0.11。纳米高岭土颗粒在整个实验温度范围内均有显著的减摩效果。在50~130℃温度范围内，含纳米高岭土颗粒的润滑油摩擦因数稳定在0.04~0.07。离子液体添加剂在90℃下具有最佳的减摩性能，摩擦因数约为0.025。离子液体添加剂与纳米高岭土相互配合，摩擦副的摩擦因数明显降低，在110~130℃高温下，离子液体复合纳米高岭土润滑油添加剂的减摩性能最好，相比CD 40润滑油降低36%左右。减摩机理分析显示，纳米高岭土以微滚珠形式作用于摩擦表面，配合离子液体添加剂对摩擦化学反应的促进作用，使润滑油的减摩性能得到有效提升。

　　关键词：高岭土；离子液体；摩擦因数；润滑性能

　　Abstract:The influence of ionic liquid and nano-kaolin compound additive to the friction reduction performance of marine machinery equipment is studied.The friction reduction performance of compound additive is studied on HK09 block on ring test rig,which is mixed with CD40 lubricating oil.The friction surface is characterized by scanning electron microscope,the results show that the CD 40 lubricating oil exhibit the highest friction coefficient,which is around 0.11.The nano-kaolin shows excellent friction coefficient reduction performance around the test temperature range.During 50~130℃,the lubricant containing nano-kaolin show friction coefficient remains stable at around 0.04~0.07,ionic liquid additive exhibits the best friction reduction performance in 90℃,which is around 0.025.Ionic liquid additive with nano-kaolin can significantly reduce the friction coefficient of the friction pair.At high temperature of 110~130℃,the ionic liquid and nano-kaolin compound additive has the best friction reduction performance,which is about 36%lower than that of the CD 40 lubricant.The analysis of mechanism shows that the friction reduction properties of lubricating oil is effectively improved,which comes from the micro-ball effect of nano-kaolin acting on the friction surface,as well as the promotion of the tribo-chemical reaction by ionic liquid additives.

　　Key words:kaolin;ionic liquid;friction coefficient;lubricating property

　　0引言

　　随着船舶柴油机性能的提高，柴油机关键摩擦副的抗磨减摩性能成为制约柴油机强化程度提高的关键点。高性能润滑剂对于船舶柴油机保持良好润滑性能、提高苛刻工况下的可靠性，具有关键作用。离子液体和纳米颗粒在特定工况下，具有良好的润滑性能[1-8]，国内外学者开展了大量研究。

　　高传平等[9]以纳米高岭土经油酸改性制成润滑油添加剂，经四球摩擦试验机对40号机油中的抗磨减摩性能进行研究。实验证明：润滑油中的纳米微粒附着在摩擦接触面上，并与摩擦副发生摩擦化学反应，最终在摩擦接触面上生成一层或多层防止摩擦副直接接触的摩擦自修复保护膜，使摩擦副的摩擦减少、磨损降低。特别是在基础油中纳米高岭土的质量分数为1.0%时，摩擦学性能最佳。

　　夏延秋等[10]以油酸改性的白云母和高岭土作聚四氟乙烯润滑脂添加剂，通过载流往复式摩擦磨损试验机对其抗磨减摩性能进行研究。结果表明：在质量分数为1%时，两种硅酸盐均表现出最佳的摩擦学性能。其中以油酸改性的白云母润滑添加剂的减摩性能最佳，以油酸改性的高岭土润滑添加剂的抗磨性能最佳。

　　宋少泽等[11]以油酸、Span80、硬脂酸、CTAB活性剂改性的微纳米高岭土作润滑油添加剂，通过四球试验机对加入微纳米高岭土润滑油添加剂基础油的减摩抗磨性能进行研究。结果表明：质量分数5%、Span80改性方式、2µm粒度的高岭土润滑油添加剂的减摩抗磨性能最好。

　　离子液体作为新型润滑添加剂，具有减摩性能好、耐高温的特点。开发合成新型离子液体添加剂并对其展开研究更是如今的研究重点。

　　于强亮等[12]概述了润滑油近10年来常用的有机减摩抗磨添加剂在摩擦学领域的研究进展。详细综述了离子液体减摩抗磨添加剂等添加剂的发展状况和减摩抗磨机理。经过实验证明，离子液体减摩抗磨添加剂具有出色的摩擦学特性，这是由于它们在摩擦副之间产生的复杂的化学反应，使得边界处形成一层厚厚的润滑膜，这样就可以有效地抵御摩擦力，大大降低机械设备的磨损程度。尽管传统的离子液体含有卤族元素，但它们很容易被水解，生成卤化氢，对金属表面造成严重的腐蚀。此外，它们的制备成本也很高，并且具有较强的分子极性，因此它们在润滑油中的使用受到了限制[13]。

　　童佳威等[14]以离子液体改性的MWCNTs、MoS2及其复合纳米流体作为润滑剂添加剂开展摩擦性能的研究。结果表明：两种纳米颗粒的复合纳米流体性能最优，平均摩擦因数降至0.083。

　　于波等将3种聚离子液体PPM-Ba、PPM-Ha和PPM-Oa作为去离子水的润滑添加剂得到一系列水基润滑剂，通过SRV-IV微动摩擦磨损试验机研究水基润滑剂的摩擦磨损性能并与含有商业增黏剂APE30的水基润滑剂进行了比较。结果表明：3种聚离子液体在水中均能够减缓金属表面的腐蚀、提高黏度、改善抗磨减摩性能，均表现出优于商业水基增黏剂APE30的耐腐蚀性能、增黏性能和摩擦磨损性能[15]。

　　黄雪飞等[16]针对烷基咪唑-螯合硼酸离子液体n-DICB/i-DICB的摩擦学性能，通过四球试验机考察2种添加剂在三羟甲基丙烷三油酸酯(PETO)基础中的摩擦学性能。结果表明：n－DICB/i－DICB均能显著提高可生物降解基础油的抗磨、减摩和极压性能；i－DICB的减摩性能和极压性能优于n－DICB，质量分数2.5%的i－DICB可使PETO的摩擦因数和磨斑直径分别降低33.0%和22.1%，最大无卡咬负荷提高66.6%。

　　Gusain等[17]研究人员合成了环境友好型的脂肪酸衍生离子液体，其在基础油中具有良好的溶解性，并表现出卓越的抗磨减摩性能。Yu等[18]研究表明，在PAO-10中加入质量分数1%的NP-16能够显著降低摩擦因数，使其在一般工况下抗磨性能得到提高，且性能明显优于传统二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)和磷酸三甲苯酯。

　　综上所述，纳米颗粒润滑添加剂可以在摩擦表面形成微滚珠作用，提高润滑油抗磨承载性能，并能在边界摩擦下起到摩擦自修复的作用。离子液体作为新型润滑添加剂，具有减摩性能好、耐高温的特点[19-20]。但两者复合的润滑性能尚缺乏相关研究。因此，开展离子液体-纳米颗粒复合润滑添加剂摩擦学性能研究，对提高摩擦副的润滑性能，提高内燃机的经济性和工作可靠性，延长船机设备的使用寿命，加快大型舰船以及高性能发动机的研究具有重要的意义。本文以三己基(十四烷基)膦双(2，4，4-三甲基戊基)膦酸盐为离子液体，复配以纳米高岭土颗粒，加入到船用CD40润滑油中，开展离子液体-纳米颗粒复合润滑添加剂的摩擦学性能研究。

　　1实验材料与实验方法

　　1.1实验材料

　　(1)纳米颗粒添加剂

　　纳米颗粒添加剂选用高岭土，分子式为Al2H6O9Si2，其理论化学组成为46.54%的SiO2，39.5%的Al2O3，13.96%的H2O。纯度大于98%。

　　(2)离子液体添加剂

　　本文采用的离子液体为三己基(十四烷基)膦双(2，4，4-三甲基戊基)膦酸盐，英文名称：Trihexyltet‐radecylphosphoniumbis(2，4，4-trimethylpentyl)phos‐phinate，分子量为773.27，密度为0.895 g/mL at 20℃(lit.)，分子式为C48H102O2P2，纯度为98%。

　　(3)纳米颗粒表面活性剂

　　纳米颗粒表面活性剂选用Span80。当纳米高岭土和Span80表面活性剂按一定比例添加到CD 40润滑油中时，表面活性剂的亲水基团与高岭土粒子表面基团结合，生成稳定的化学键，亲油基团插入润滑油内部，相似相溶，从而使纳米高岭土粒子可以在润滑油中长时间分散均匀。

　　实验润滑油选用CD40润滑油，配以离子液体和纳米高岭土颗粒。润滑油样成分组成及其质量分数如表1所示。高岭土加入的质量分数为0.25%，离子液体加入的质量分数为0.5%。

　　实验过程中，将CD40润滑油、纳米高岭土颗粒和离子液体按表1的添加量混合后，在30℃下，采用磁力搅拌器在600 r/min下搅拌25 min，使添加剂分散均匀，得到不同成分的润滑油试样。

　　1.2实验设备

　　为模拟实际工况，实验选用船用发动机常用的轴承钢作为摩擦副材料，其中摩擦环和摩擦块均采用GCr15高铬轴承钢，其维氏硬度达到HV751，表面粗糙度达到0.2µm。摩擦块为圆柱体，其直径和高度均为10 mm。摩擦块外径50 mm，内径45 mm，高度25 mm。

　　本文采用HK09型环块式摩擦磨损试验机开展实验研究。HK09型环块式摩擦磨损试验机通过在上方机械加载砝码控制试验机载荷，通过导轨滑块控制摩擦块与摩擦环的接触位置。导轨滑块安装在背板上，背板后与压力传感器相连。在摩擦环下方加装温控油槽并固定，温控油槽中配有内嵌式的加热装置及温度传感器，加热装置由温控加热器设定目标温度并控制温度恒定，其温度控制范围在40~150℃之间。摩擦环安装在转轴端部，摩擦块安装在加载机构底部，摩擦环的转动由伺服电机控制，其转速控制范围为0~3 000 r/min之间。摩擦力数值由隆旅(LONGLV)LLLBM压力传感器测定，其测量范围为±100 N，精度范围为±0.1 N，测得摩擦力数据通过电荷放大器放大为标准信号4~20 mA，结合数据采集卡YAV-USB 8AD Plus以1 Hz的数据采集频率将摩擦力数据传输到计算机中，并绘制生成摩擦力数据曲线。HK09型环块摩擦试验机如图1所示。

　　1.3实验方法与步骤

　　实验时，首先安装摩擦环与摩擦块，向油槽中加入实验油样，通过加载砝码控制载荷为80 N，控制油槽温度。待温度升至目标温度并稳定后，控制试验机转速为100 r/min，实验时间为5 h。实验后，分别用石油醚和无水乙醇超声清洗摩擦环与摩擦块，采用ZEISS Axio Ob‐server光学显微镜观察摩擦表面宏观形貌，采用JEOL JSM－7610F扫描电子显微镜分析摩擦表面元素组成。实验温度分别为50、70、90、110、130℃，每个温度实验时间为1 h，实验时间总共为5 h。

　　2实验结果与分析

　　2.1不同润滑剂减摩性能

　　(1)CD 40润滑油

　　以CD 40为润滑油样的实验所测得的摩擦因数曲线如图2所示。由图可知，摩擦因数总体上随时间增长呈下降趋势并逐渐趋于平稳，且摩擦因数在温度70℃时最低，为0.06；在温度为110℃时较高，约为0.10。

　　(2)CD 40+高岭土纳米颗粒

　　以CD 40+高岭土纳米颗粒为润滑油样的实验所测得的摩擦因数曲线如图3显示。由图可知，各温度摩擦因数总体上随温度增加而逐渐减小并趋于平稳，其摩擦因数保持在0.04~0.07之间。在110℃时，摩擦因数前期变化较大，后期渐趋稳定；在130℃时，摩擦因数先逐渐下降，后在2 800 s左右突增，并于55 min时达到峰值，之后逐渐减小。

　　(3)CD 40+离子液体

　　以CD 40+离子液体为润滑油样的实验所测得的摩擦因数曲线如图4所示。由图可知，各温度摩擦因数随着时间的推移，总体上逐渐降低，趋于平稳。在130℃时，摩擦因数最高，为0.075；在90℃时，摩擦因数随温度逐渐减小，摩擦因数最小，润滑效果最好，为0.025。

　　(4)CD 40+高岭土纳米颗粒+离子液体

　　以CD 40+高岭土纳米颗粒+离子液体为润滑油样的实验所测得的摩擦因数曲线如图5所示。由图可知，总体呈逐渐平稳趋势。但在130℃时，摩擦因数在实验进行到800~1 200 s时突增，由0.055增长到0.070；在70℃时，摩擦因数最低，约为0.045，且摩擦因数无明显波动。

　　对加入不同添加剂的润滑油在不同温度下进行摩擦学性能实验，待摩擦因数稳定后，将测得的每组摩擦因数平均值作为该添加剂在某温度下的平均摩擦因数，将平均摩擦因数导入Origin，获得不同润滑油在不同温度下的摩擦因数变化规律，如图6所示。

　　由不同润滑油添加剂摩擦因数点线图可知，CD40波动较大。在50℃和70℃时，摩擦因数相对稳定；在90℃和110℃时，摩擦因数突增，在110℃时达到峰值，且是所有数据中摩擦因数最高的，为0.093左右；在130℃时，摩擦因数迅速降至0.075左右，摩擦因数最小，在同温度下润滑性能最好。

　　高岭土作为润滑添加剂加入CD 40后，摩擦因数整体平稳，在0.05~0.06之间波动。离子液体作为润滑添加剂加入CD 40后，摩擦因数波动较大。在50~90℃时摩擦因数随温度升高逐渐降低，在90℃时，摩擦因数降至0.025左右，摩擦因数在所有数据中最低，润滑性能最佳，相较于以CD 40作为润滑油样的实验，摩擦因数降低约71%；在90℃后，摩擦因数逐渐升高。在130℃时，摩擦因数上升至0.075左右。

　　离子液体-高岭土复合润滑添加剂加入CD 40后，50℃下摩擦因数最高，约为0.073；随温度上升，摩擦因数迅速下降。在110~130℃高温下，摩擦因数在4种润滑油中最低，约为0.048左右，相比CD 40润滑油降低36%左右。2.2减摩机理分析使用扫描电子显微镜对“CD40+离子液体+高岭土”润滑的摩擦试样表面形貌进行分析，如图7所示。同时，通过能谱仪对摩擦表面的元素组成进行分析，如图8所示。

　　由图7和图8分析可知，在摩擦表面的元素组成中没有发现Al元素，高岭土中含有Al2O3，说明高岭土颗粒没有在金属表面产生摩擦自修复涂层。此外，金属表面含有Zn、P、Mo元素，这些与CD40润滑油中含有的ZD‐DP和有机钼添加剂相匹配，说明CD40润滑油中的添加剂在摩擦过程中产生了抗磨减摩物质。由此可知，纳米高岭土未发生摩擦化学反应，可能是以微滚珠形式，提升了高载荷下摩擦表面的抗磨减摩性能。此外，离子液体具有一定的化学催化作用，提升了CD40润滑油中含有的ZDDP和有机钼添加剂的摩擦化学反应，进一步提高了润滑油在高温下的减摩性能。

　　3结束语

　　针对高强化柴油机对摩擦学性能的需求，本文利用环块式摩擦磨损试验机，研究了离子液体-纳米高岭土复合润滑油添加剂的减摩性能，结合扫描电子显微镜，检测了摩擦表面的形貌与化学元素，分析了复合添加剂的减摩机理。

　　(1)纳米高岭土颗粒在较宽的温度范围内均具有良好的减摩效果。在50~130℃温度范围内，含纳米高岭土颗粒的润滑油摩擦因数稳定在0.04~0.07。在110~130℃高温下，离子液体复合纳米高岭土润滑油添加剂的减摩性能最好，相比CD 40润滑油降低36%左右。

　　(2)离子液体添加剂相比CD 40润滑油具有明显的减摩性能，在90℃下的减摩性能最佳，摩擦因数约为0.025。

　　(3)离子液体添加剂与纳米高岭土相互配合，使摩擦件的摩擦因数明显降低。在110~130℃高温下，离子液体复合纳米高岭土润滑油添加剂的减摩性能最好，相比CD 40润滑油降低36%左右。减摩机理分析显示，纳米高岭土以微滚珠形式作用于摩擦表面，配合离子液体添加剂对摩擦化学反应的促进作用，使润滑油的减摩性能得到有效提升。

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