董 瑞, 危得全, 于強(qiáng)亮, 張嘉瑩, 王新剛, 蔡美榮,3*, 周 峰, 劉維民

(1.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3.煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室, 山東 煙臺(tái) 264006)

水基潤(rùn)滑液在切削、磨削、拉拔和冷軋等金屬加工和液壓傳動(dòng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.就目前市場(chǎng)需求而言，水基潤(rùn)滑液朝著具有優(yōu)良的潤(rùn)滑冷卻性、安定性、安全性、防銹性和清洗性的方向發(fā)展[1].但隨著現(xiàn)如今日新月異的大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)，工況條件逐漸苛刻化，“低能耗、低成本、低公害”的要求日益嚴(yán)格，對(duì)水基潤(rùn)滑液也提出了更為嚴(yán)苛的要求[2-3].同時(shí)，在復(fù)雜多樣的工況條件下，不同應(yīng)用領(lǐng)域所使用的金屬材料也有所不同，鋼的應(yīng)用最為廣泛.除此之外，金屬銅在電氣、電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域都有著不可取代的地位.在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域(輕量化汽車(chē)應(yīng)用等)，通過(guò)選用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，如鋁合金(Al)和鎂基合金(Mg)來(lái)替換傳統(tǒng)鋼材部件，以減輕質(zhì)量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性.鈦基金屬材料也在航空航天、艦船與海洋工程以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用.

在實(shí)際工況條件下，不同的加工金屬材料本身的性能有所差異，只有當(dāng)金屬和切削液相互匹配時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的切削效率和加工質(zhì)量.由于水基潤(rùn)滑本身存在著黏度低和成膜難的問(wèn)題，當(dāng)其作用于工業(yè)潤(rùn)滑領(lǐng)域，水基潤(rùn)滑基本處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，很難在金屬接觸區(qū)形成有效的流體潤(rùn)滑膜[4-6].同時(shí)，由于水的黏度低，水基潤(rùn)滑液存在成膜難、抗磨性能差、易變質(zhì)蒸發(fā)和對(duì)金屬有腐蝕等問(wèn)題，這限制了其應(yīng)用與發(fā)展[7-8].多功能潤(rùn)滑添加劑的使用成為提升水基潤(rùn)滑液綜合性能的關(guān)鍵所在[9]，自離子液體于2001年被首次報(bào)道應(yīng)用于摩擦學(xué)領(lǐng)域以來(lái)[10]，其無(wú)論是作為純潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑添加劑、潤(rùn)滑薄膜還是潤(rùn)滑脂，均具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能.離子液體添加劑可以很好地在金屬摩擦副表面形成邊界潤(rùn)滑膜(物理/化學(xué)吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜)，從而起到減摩抗磨作用[11-14].在之前的研究中，離子液體作為水基潤(rùn)滑添加劑的研究主要集中在對(duì)鋼/鋼摩擦副摩擦學(xué)性能的研究中，以及不同結(jié)構(gòu)對(duì)其摩擦學(xué)性能和潤(rùn)滑機(jī)制的影響[15-16].當(dāng)添加劑作用于不同的摩擦對(duì)偶上時(shí)，摩擦學(xué)行為有所不同[17-22].在本文中合成了磺酸醇胺離子液體，將其作為水基潤(rùn)滑添加劑，與純水和商用的聚合蓖麻油酸酯做對(duì)比，表征其物理化學(xué)性質(zhì)，并研究其在不同的摩擦對(duì)偶(鋼/鋼、鋼/銅、鋼/鋁、鋼/鈦和鋼/鎂)上的摩擦學(xué)行為，探究了其在不同摩擦對(duì)偶上的摩擦學(xué)機(jī)制.

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與離子液體的制備

十二烷基苯磺酸(C18H30O3S，95%，北京百靈威科技有限公司)，三乙醇胺(C6H15NO3，95%，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，商業(yè)抗磨水基潤(rùn)滑添加劑Hostagliss L4(聚合蓖麻油酸酯)購(gòu)自科萊恩化學(xué)(中國(guó))有限公司.將0.745 9 g三乙醇胺加入圓底燒瓶中，置于冰浴中.隨后向圓底燒瓶中用恒壓滴液漏斗逐滴勻速緩慢加入1.718 g十二烷基苯磺酸.反應(yīng)在80 ℃下攪拌12 h，隨后將得到的離子液體在50 ℃真空干燥的條件下干燥大于12 h，以除去其中的水.

1.2 結(jié)構(gòu)和性能表征

采用核磁共振波譜(Bruker 400 MHz,1H NMR:400 MHz,13C NMR: 400 MHz)和紅外光譜(Nicolet is10,Thermo Scientific，micoTO)確定所合成的離子液體的結(jié)構(gòu).離子液體添加劑的抗腐蝕性能通過(guò)三電極測(cè)試系統(tǒng)(電化學(xué)工作站，CHI660e, 上海辰華儀器有限公司)測(cè)試動(dòng)電位極化曲線進(jìn)行表征，測(cè)試前測(cè)量開(kāi)路電位(Eopc)60 min以使電極表面達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).掃描范圍為Eopc±200 mV, 掃描速率為0.000 333 V/s, 工作電極的暴露面積為0.5 cm2.

1.3 摩擦學(xué)試驗(yàn)

通過(guò)檢測(cè)所有水基潤(rùn)滑液在不同金屬摩擦副表面上作用時(shí)的實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)的變化來(lái)表征其減摩作用.采用微動(dòng)型往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(SRV-IV，德國(guó)Optimol公司).摩擦測(cè)試過(guò)程中，上試球?yàn)镚Cr15 (直徑10 mm, 硬度850 HV)，下試盤(pán)為鋼塊(直徑24 mm,硬度750～900 HV)、銅塊(直徑24 mm, 硬度110～150 HV，表面粗糙度)、鋁塊(直徑24 mm, 硬度165～185 HV，表面粗糙度)、鈦塊(直徑24 mm，硬度400～450 HV)和鎂塊(直徑24 mm, 硬度350～400 HV).測(cè)試之前，使用乙醇和丙酮對(duì)摩擦對(duì)偶表面進(jìn)行超聲清洗后干燥.摩擦試驗(yàn)條件如下：載荷為 100 N，頻率為 25 Hz，振幅是1 mm，測(cè)試時(shí)間為30 min.試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境濕度為30%.在變載試驗(yàn)中，載荷的變化速度為50 N/2 min.采用MS-10A杠桿式四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(廈門(mén)天機(jī)自動(dòng)化有限公司)測(cè)試了所有水基潤(rùn)滑液的極壓和抗磨性能(長(zhǎng)磨試驗(yàn)和其綜合磨斑直徑的測(cè)定)，測(cè)試中所使用的鋼球均為Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)軸承(GCr15，直徑12.7 mm).其測(cè)試條件為t(時(shí)間)=30 min,F(載荷)=392 N，r(轉(zhuǎn)速)=1 450 r/min, 添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%.使用X射線光電子能譜儀(XPS，Nexsa, Al-Ka(單)陽(yáng)極，能量150 W, 真空度為10-7Pa)分析了離子液體添加劑潤(rùn)滑后的磨斑表面的摩擦膜化學(xué)組成.

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)與表征

圖1是所合成的磺酸醇胺離子液體(S-IL)的分子結(jié)構(gòu)，為了表征和確定其分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行核磁氫譜、碳譜和紅外光譜測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：1H NMR (400 MHz,D2O) δ: 8.79 (s, 1H), 7.53 (s, 1H), 7.51 (s, 1H), 7.11 (s, 1H),7.09 (s, 1H), 4.38～4.35 (t, 3H), 3.73～3.76 (t, 6H), 3.27～3.29 (t, 6H), 2.50～2.51 (t, 2H), 1.15～1.17 (m, 2H), 1.04～1.07(m, 18H), 0.78～0.80 (t, 3H)；13C NMR (100 MHz, D2O)δ: 148.22, 146.57, 146.25, 126.51, 127.14, 125.97, 56.05,55.66, 36.78, 31.66, 29.80, 29.54, 29.40, 29.18, 27.60,27.18, 22.63, 20.59, 19.02, 14.38；FT-IR (neat, cm-1):3 360，2 930, 2 850, 1 468, 1 400, 1 166, 1 027, 1 000, 587.

Fig.1 The molecular structure formula of the synthesized water-based S-IL lubricating additive圖1 所合成磺酸醇胺離子液體(S-IL)水基潤(rùn)滑添加劑的分子結(jié)構(gòu)式

2.2 水溶性和穩(wěn)定性

相比之下，商用的聚合蓖麻油酸酯(L4)的溶解性較差(圖2)，處于一種混溶的狀態(tài)，這可能是由分子結(jié)構(gòu)中較長(zhǎng)的烷基鏈長(zhǎng)和較高的聚合度導(dǎo)致的.離子液體作為一種有機(jī)鹽，對(duì)離子液體結(jié)構(gòu)的調(diào)控(官能團(tuán)的引入和碳鏈長(zhǎng)度的控制)可以使其在水基體系或油相體系中具有較好的溶解性.所合成的S-IL添加劑在水潤(rùn)滑體系中具有良好的溶解性.如圖2所示，S-IL添加劑在水潤(rùn)滑體系中形成了透明且均一穩(wěn)定的溶液，在靜置48 h后依舊保持穩(wěn)定.其鏈長(zhǎng)為十二烷鏈，能夠保證在水中具有一定溶解度的前提下，使脂肪酸碳鏈在范德華力作用下在金屬表面形成1層有序吸附膜，其具有一定的潤(rùn)滑效果，同時(shí)吸附膜阻止了鐵、水膜和雜質(zhì)組成腐蝕電池，阻止了電荷的轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到抑制金屬腐蝕的目的，這也為其產(chǎn)生優(yōu)異的潤(rùn)滑性能奠定了基礎(chǔ).

Fig.2 Solubility photos of commercial water-based lubricating additive L4 and synthetic IL additive S-IL in water system (after standing for 48 h)圖2 商用的水基潤(rùn)滑添加劑L4和所合成離子液體添加劑S-IL在水體系中的溶解性照片(靜置48 h后)

2.3 抗腐蝕性能

水基潤(rùn)滑體系中最受關(guān)注的問(wèn)題之一就是抗腐蝕性能[23]，在水潤(rùn)滑體系中，由于水和氧的存在，摩擦界面上的鐵、水膜和雜質(zhì)很容易組成腐蝕電池，加速界面的腐蝕，帶來(lái)嚴(yán)重的摩擦和磨損.因此，通過(guò)電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)考察了合成S-IL添加劑的抗腐蝕性能.從圖3可以看出，當(dāng)鐵片為工作電極時(shí)，相較于對(duì)照樣純水和L4，離子液體添加劑的腐蝕電位明顯增大，腐蝕電流下降，說(shuō)明S-IL添加劑分子在金屬界面形成了穩(wěn)定的保護(hù)膜，阻止了水體系在金屬表面形成的電化學(xué)腐蝕.相比于對(duì)照樣純水體系中的腐蝕電位，S-IL添加劑的腐蝕電位負(fù)移值大于85 mV, 說(shuō)明添加劑起到了陽(yáng)極型緩蝕劑的作用.當(dāng)銅片作為工作電極時(shí)，在含有S-IL添加劑的水潤(rùn)滑液體系中，所測(cè)得的腐蝕電流Icorr大幅度降低, 具體為3.45×10-10A·cm2[圖3(b)]，同時(shí)其腐蝕電位向陰極方向移動(dòng)大于85 mV，說(shuō)明S-IL離子液體添加劑表現(xiàn)為陰極型緩蝕劑的作用，通過(guò)陰極析氫反應(yīng)來(lái)降低體系的腐蝕性.

Fig.3 Tafel curves for all water-based lubricants: (a) iron electrode; (b) copper electrode as working electrode圖3 所有水基潤(rùn)滑添加劑的Tafel圖：(a)以鐵做工作電極；(b)以銅做工作電極

2.4 摩擦學(xué)性能

從圖4(a)可以看出，相較于對(duì)照樣純水，L4添加劑顯著降低了水溶液的摩擦系數(shù)，但是表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性，這可能是由于L4在水體系中具有較差的溶解性.合成S-IL添加劑作用于水基體系中，表現(xiàn)出良好的減摩作用，其摩擦系數(shù)在0.12左右并始終保持著穩(wěn)定的趨勢(shì).極壓測(cè)試[圖4(b)]表明，純水和L4添加劑具有較差的載荷耐受性，而合成S-IL添加劑的摩擦系數(shù)則不隨載荷增加而變動(dòng)，說(shuō)明S-IL在摩擦界面上形成了穩(wěn)定且力學(xué)強(qiáng)度高的邊界潤(rùn)滑膜.在極限載荷下，進(jìn)一步采用四球摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)S-IL、L4和純水的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了驗(yàn)證[圖4(c)]，從圖中可以看出，L4和純水在摩擦初始階段失效，而S-IL在整個(gè)測(cè)試階段均展現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦系數(shù).圖4(d)展示了S-IL、L4和純水在測(cè)試中的平均磨斑直徑和摩擦系數(shù).由于L4和純水的潤(rùn)滑失效，所以表現(xiàn)出較大甚至高于S-IL的磨斑直徑.而S-IL離子液體添加劑在完整的測(cè)試后依然表現(xiàn)出較低的磨斑直徑.分析原因認(rèn)為S-IL分子結(jié)構(gòu)中的硫元素作為極壓元素在摩擦應(yīng)力和熱的作用下可發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成高力學(xué)強(qiáng)度和低剪切強(qiáng)度的摩擦膜，同時(shí)骨架結(jié)構(gòu)中苯環(huán)間可通過(guò)π···π堆積作用，增強(qiáng)吸附分子的有序性和吸附膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低滑動(dòng)過(guò)程中的橫向剪切應(yīng)力[24].

圖5展示了合成S-IL添加劑作用在不同金屬摩擦配副表面上的減摩效果，從圖5中可以看出，對(duì)于鋼/銅摩擦配副，S-IL和L4添加劑在前中期表現(xiàn)出相似的減摩能力，但后期L4添加劑呈現(xiàn)出波動(dòng)和增大趨勢(shì)，說(shuō)明該添加劑的持久性不足.對(duì)于鋼/鋁、鋼/鈦和鋼/鎂摩擦配副，S-IL添加劑均表現(xiàn)出更優(yōu)的減摩能力和持續(xù)穩(wěn)定性.說(shuō)明在摩擦過(guò)程中，S-IL添加劑在這些金屬配副表面形成了穩(wěn)定且堅(jiān)固的邊界潤(rùn)滑膜.由于不同金屬間的化學(xué)活性差異及對(duì)摩擦過(guò)程中的應(yīng)力和熱的感知不同，即使S-IL添加劑對(duì)不同金屬配副均表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩性能，但是依然具有不同的摩擦系數(shù)和不同的跑合期形態(tài).

Fig.4 Tribological properties of all water-based lubricants on steel-steel friction pairs: (a) friction coefficient curves over time(under SRV test condition); (b) friction coefficient curves diagram with the load change (under SRV test condition,50 N/2 min); (c) friction coefficient curves with time (under four ball friction and wear tester test condition);(d) Wear spot diameter (WSD) in the horizontal direction and vertical direction, respectively, and average friction coefficient (under the test condition of four ball friction and wear tester)圖4 水基潤(rùn)滑劑在鋼/鋼摩擦副上的摩擦學(xué)性能：(a)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線圖(SRV測(cè)試條件下)；(b)摩擦系數(shù)隨載荷變化的曲線圖(SRV測(cè)試條件，50 N/2 min)；(c)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線圖(四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試條件)；(d)磨斑直徑分別沿水平方向(Dx)和垂直方向(Dy)以及平均摩擦系數(shù)(四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試條件下)

2.5 表面形貌分析

通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)對(duì)S-IL、L4和純水潤(rùn)滑后的金屬摩擦副表面的磨斑進(jìn)行了表征(圖6).當(dāng)水作用在金屬摩擦副上時(shí)，由于其黏度低，成膜性較差，不能有效減緩金屬間的直接碰撞，從而使其潤(rùn)滑的金屬表面磨損比較嚴(yán)重.表現(xiàn)為水潤(rùn)滑過(guò)后的磨斑表面的磨痕寬度最寬且伴隨著大面積的因黏著磨損剝落生成的溝壑和犁溝.而經(jīng)過(guò)商用L4添加劑潤(rùn)滑后的金屬表面磨損相較于水潤(rùn)滑略微減緩，但磨損現(xiàn)象依舊明顯，尤其是作用在鋼/鋁、鋼/鈦和鋼/鎂摩擦副上.合成S-IL潤(rùn)滑添加劑作用于金屬表面時(shí)，其磨痕深度最淺，寬度最窄，表面基本呈現(xiàn)較為光滑的狀態(tài)，除了出現(xiàn)摩擦對(duì)偶的表面粗糙峰相互滑動(dòng)導(dǎo)致的明顯劃痕，沒(méi)有出現(xiàn)較為明顯刮擦和點(diǎn)蝕，這都說(shuō)明所合成的S-IL添加劑在不同的金屬摩擦界面上均表現(xiàn)出較好的抗磨性能.

2.6 摩擦學(xué)機(jī)制

2.6.1 S-IL添加劑在鋼/鋼摩擦副上的摩擦學(xué)機(jī)制

通過(guò)對(duì)S-IL添加劑潤(rùn)滑后的磨斑表面進(jìn)行X-射線光電子能譜(XPS)檢測(cè)，探究了該離子液體潤(rùn)滑添加劑在不同摩擦副上的摩擦學(xué)機(jī)制的差異.圖7展示了鐵基底磨斑的XPS譜，N1s的結(jié)合能位于400.3 eV，且呈現(xiàn)對(duì)稱的化學(xué)峰，說(shuō)明摩擦表面的氮主要是以C-N鍵合的方式存在.O1s的結(jié)合能可擬合為3個(gè)亞峰：分別位于530.4 (Fe-O)、532.2 (C-O)和533.6 eV (C-O).因此，可推斷出S-IL添加劑在摩擦界面上形成了物理或化學(xué)吸附膜.Fe2p的結(jié)合能可擬合為707.2、708.4、712.6和713.5 eV 4個(gè)亞峰，分別對(duì)應(yīng)于金屬Fe(0)、FeS、FeO和Fe2O3；S2p可擬合為S2p1/2和S2p3/2自旋分裂峰，162.3 eV處明顯的結(jié)合峰說(shuō)明在摩擦過(guò)程中生成了硫化亞鐵，168.2 eV處的結(jié)合峰對(duì)應(yīng)于硫酸鹽或磺酸基團(tuán).上述分析說(shuō)明S-IL潤(rùn)滑添加劑在鋼/鋼摩擦副表面不僅存在著物理吸附，還發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)[25-26].正是物理吸附和化學(xué)反應(yīng)協(xié)同構(gòu)成的潤(rùn)滑膜使S-IL添加劑在鋼/鋼摩擦副上表現(xiàn)出了優(yōu)異的減摩、抗磨和極壓性能，這與之前四球摩擦長(zhǎng)磨試驗(yàn)中的低而平穩(wěn)的摩擦系數(shù)(0.075)的結(jié)果相一致.

Fig.5 Comparison of friction coefficient curves of all water-based lubricants on different metal friction pairs (under SRV test conditions): (a) steel-copper friction pair; (b) steel-aluminum friction pair; (c) steel-titanium friction pair;(d) steel-magnesium friction pair圖5 所有的水基潤(rùn)滑劑在不同金屬摩擦副上的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線對(duì)比圖(SRV測(cè)試條件):(a)鋼/銅摩擦副；(b)鋼/鋁摩擦副；(c)鋼/鈦摩擦副；(d)鋼/鎂摩擦副

Fig.6 Scanning electron microscope (SEM) micrographs of the wear spot surface of all water-based lubricants on different metal rubbing pairs (the set-in image is the full view of the wear spot)圖6 所有的水基潤(rùn)滑劑在不同金屬摩擦副上(上試球?yàn)镚Cr15，下試盤(pán)分別為鋼、銅、鋁、鈦和鎂金屬基底)的磨斑表面形貌的掃描電鏡照片(內(nèi)置圖為其磨斑的全貌圖)

Fig.7 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of worn surface (Steel-Steel friction pair) lubricated by S-IL water-based additive: (a) C1s; (b) N1s; (c) O1s; (d) S2p; (e) Fe2p圖7 經(jīng)過(guò)磺酸醇胺離子液體水基添加劑潤(rùn)滑后的磨斑表面(鋼/鋼摩擦副)的X射線光電子能譜圖: (a) C1s；(b) N1s；(c) O1s； (d) S2p；(e) Fe2p

2.6.2 S-IL添加劑在鋼/銅摩擦副上的摩擦學(xué)機(jī)制

圖8為金屬銅下試樣的磨斑表面各元素價(jià)態(tài)的XPS譜圖，N1s的出峰主要位于399.3 eV(C-N)，呈中心對(duì)稱；O1s的峰位于531.5 (Cu-O)和532.7 eV(C/S-O)，可以推測(cè)出S-IL添加劑在金屬銅磨斑表面存在物理或化學(xué)吸附[27].由S2p和Cu2p信號(hào)峰擬合可知在銅表面形成了明顯的硫化物，同時(shí)對(duì)比硫化物和硫酸鹽或磺酸基團(tuán)的結(jié)合能強(qiáng)度，可知在摩擦界面上主要形成了摩擦化學(xué)反應(yīng)膜.這是因?yàn)榱蛟睾豌~元素分別是軟堿和軟酸，由軟硬酸堿理論可知，硫元素易與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成硫化銅，增強(qiáng)了摩擦界面的力學(xué)強(qiáng)度，此外，物理吸附的分子由于較長(zhǎng)的烷鏈，可進(jìn)一步降低滑動(dòng)過(guò)程中的水平剪切應(yīng)力[28].從上述分析可知：當(dāng)S-IL作用于鋼/銅摩擦副時(shí)，在摩擦過(guò)程中S-IL添加劑主要通過(guò)摩擦化學(xué)反應(yīng)形成摩擦膜降低了滑動(dòng)界面上的摩擦阻力，抑制了界面上的金屬磨損.

2.6.3 S-IL添加劑在鋼/鋁摩擦副上的摩擦學(xué)機(jī)制

圖9展示了S-IL添加劑作用于金屬鋁摩擦副上的磨斑XPS分析，從圖9中可以看出，N1s可擬合為兩個(gè)亞峰，分別位于399.5和401.1 eV，可歸屬為C-N和CN···Al的特征峰，說(shuō)明了添加劑分子中的N元素與鋁基底之間有一定的鍵合作用.同時(shí)，結(jié)合O1s、S2p和Al2p譜圖 中的特征峰532.2 (Al-O)、 531.2 (C/S-O)、168.6 [Al2(SO4)3]和74.2 eV [Al2(SO4)3]，可以推測(cè)出添加劑在鋁基底上主要形成了化學(xué)吸附膜.這主要是由于鋁的價(jià)電子排布中P軌道中有空位，是很好的電子受體，可接受磺酸基團(tuán)中氧原子的價(jià)電子或陽(yáng)離子中心氮原子的孤對(duì)電子，從而形成化學(xué)吸附或配位吸附[29].同時(shí)，分子中的苯環(huán)可形成π···π堆積作用，增強(qiáng)吸附分子的有序性和吸附膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而降低滑動(dòng)過(guò)程中的橫向剪切應(yīng)力.由上述分析可知，當(dāng)SIL添加劑作用于金屬鋁摩擦副時(shí)，主要是通過(guò)化學(xué)吸附形成了界面潤(rùn)滑膜，從而改善了鋁摩擦副表面的潤(rùn)滑狀態(tài).

2.6.4 S-IL添加劑在鋼/鈦摩擦副上的摩擦學(xué)機(jī)制

圖10展示了S-IL添加劑潤(rùn)滑后鋼/鈦摩擦副表面磨斑的XPS譜圖，N1s峰呈現(xiàn)出類(lèi)似鋁表面的擬合亞峰[圖9(b)]，位于400.1 eV位置的峰可歸屬為C-N結(jié)合形式，位于402.1 eV可歸屬于C-N···Ti的鍵合方式，相比鋁表面更高的結(jié)合能是由于鈦元素可形成四價(jià)的陽(yáng)離子，產(chǎn)生更強(qiáng)的相互作用.從O1s譜中可以看出，Ti-O成鍵(530.2 eV)比C/S-O成鍵(531.8 eV)在磨斑表面具有更高的含量，結(jié)合S2p和Ti2p元素的結(jié)合能位移，可推斷在金屬鈦表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成了硫酸鹽和/或氧化鈦、硫化物組成的摩擦膜[30].這主要是因?yàn)榻饘兮伒幕瘜W(xué)活性較高，在摩擦應(yīng)力或熱的作用下很容易與磺酸基中的氧元素或大氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成易剪切的摩擦膜.由上述分析可知，當(dāng)SIL添加劑作用于金屬鈦表面時(shí)，主要形成了由磺酸鹽、氧化物和硫化物組成的化學(xué)反應(yīng)摩擦膜，同時(shí)由于受鈦原子高的化合價(jià)態(tài)可能形成空位缺陷的影響，陽(yáng)離子可被捕獲到缺陷位形成部分物理吸附的分子膜.由化學(xué)反應(yīng)摩擦膜與物理吸附分子膜共同構(gòu)成了邊界潤(rùn)滑膜，起到了減摩抗磨的效果.

Fig.8 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of worn surface (steel-copper friction pair) lubricated by S-IL water-based additive: (a) C1s; (b) N1s; (c) O1s; (d) S2p; (e) Cu2p圖8 經(jīng)過(guò)磺酸醇胺離子液體水基添加劑潤(rùn)滑后的磨斑表面(鋼/銅摩擦副)的XPS圖： (a) C1s；(b) N1s；(c) O1s；(d) S2p； (e) Cu2p

Fig.9 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of worn surface (Steel-Aluminum friction pair) lubricated by S-IL water-based additive: (a) C1s; (b) N1s; (c) O1s; (d) S2p; (e) Al2p圖9 經(jīng)過(guò)磺酸醇胺的離子液體水基添加劑潤(rùn)滑后的磨斑表面(鋼/鋁摩擦副)的XPS圖： (a) C1s；(b) N1s；(c) O1s； (d) S2p；(e) Al2p

Fig.10 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of worn surface (steel-titanium friction pair) lubricated by S-IL water-based additive: (a) C1s; (b) N1s; (c) O1s; (d) S2p; (e) Ti2p圖10 經(jīng)過(guò)磺酸醇胺離子液體水基添加劑潤(rùn)滑后的磨斑表面(鋼/鈦摩擦副)的X射線光電子能譜圖：(a) C1s；(b) N1s；(c) O1s；(d) S2p；(e) Ti2p

2.6.5 S-IL添加劑在鋼/鎂摩擦副上的摩擦學(xué)機(jī)制

圖11為鎂基底上磨斑表面所有元素的XPS譜圖，從圖中可以看出，N1s的信號(hào)峰可擬合為399.7和404.2 eV處兩個(gè)亞峰，對(duì)應(yīng)于C-N和N-O的結(jié)構(gòu)方式.對(duì)于O1s信號(hào)，位于531.6和532.7 eV處的兩個(gè)亞峰可歸因于Mg-O和C/S-O的結(jié)合方式，從其分布強(qiáng)度可以看出表面含有較高的鎂氧化物.S2p信號(hào)顯示磨斑表面僅有硫酸鹽或磺酸鹽生成，同時(shí)，在Mg2s的信號(hào)峰中，位于1 303.6和1 304.8 eV的峰可分別歸屬為硫酸鹽和硝酸鹽.由上述分析可知，當(dāng)S-IL潤(rùn)滑添加劑作用于金屬鎂摩擦副時(shí)，由于其高的化學(xué)活性，在摩擦應(yīng)力與熱的作用下，表面發(fā)生了明顯的摩擦化學(xué)反應(yīng)，形成了由硫酸鹽和硝酸鹽共同組成的摩擦膜，增強(qiáng)了摩擦界面的力學(xué)強(qiáng)度，保證了潤(rùn)滑體系在摩擦過(guò)程中的穩(wěn)定性.

3 結(jié)論

合成了磺酸醇胺離子液體添加劑，并將其用于水基潤(rùn)滑添加劑，與商用聚合蓖麻油酸酯添加劑和純水對(duì)比，研究了其物理化學(xué)性質(zhì)和摩擦學(xué)性能.

a.與商用的潤(rùn)滑添加劑相比，所合成的磺酸醇胺離子液體添加劑在水體系中具有優(yōu)良的溶解性和抗腐蝕性能.

b.摩擦學(xué)試驗(yàn)表明，S-IL離子液體添加劑不僅改善了水基潤(rùn)滑液在鋼/鋼摩擦副表面的減摩抗磨性能，而且極大地增強(qiáng)了潤(rùn)滑體系的承載能力.

c.不同金屬摩擦副表面摩擦學(xué)試驗(yàn)證明，S-IL離子液體添加劑對(duì)摩擦配副具有很高的兼容性和耐受性，在所研究的鋼/鋼、鋼/銅、鋼/鋁、鋼/鈦和鋼/鎂摩擦副上均能起到高效且穩(wěn)定的減摩作用.

d.不同金屬摩擦副磨斑表面XPS分析結(jié)果顯示，在鋼/鋼和鋼/鋁配置中，摩擦表面生成了以物理吸附為主、化學(xué)反應(yīng)為輔的邊界潤(rùn)滑膜；在鋼/銅和鋼/鈦配置中，摩擦表面生成以化學(xué)反應(yīng)為主、物理吸附為輔的邊界潤(rùn)滑膜；而在鋼/鎂配置中，摩擦表面則生成了完全由化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)的含氧酸鹽組成的邊界潤(rùn)滑膜.

Fig.11 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of worn surface (steel-magnesium friction pair) lubricated by S-IL water-based additive: (a) C1s; (b) N1s; (c) O1s; (d) S2p; (e) Mg2p圖11 經(jīng)過(guò)磺酸醇胺離子液體水基添加劑潤(rùn)滑后的磨斑表面(鋼/鎂摩擦副)的X射線光電子能譜圖：(a) C1s；(b) N 1s；(c) O1s；(d) S2p；(e) Mg2p