Page 5 - 摩擦学学报2025年第10期

1402 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

scanning electron microscope, and the chemical elements were analyzed by EDS spectrometer and X-ray photoelectron
spectroscopy (XPS). The film forming properties of three proton-type ionic liquids were investigated by using an optical
interference lubricating oil film test rig. The results showed that the addition of ionic liquid could reduce the friction
coefficient and wear amount, and the elemental analysis showed that the active elements N and P react with the metal
substrate to form tribo-film. Under the same conditions, the lower the number of cationic carbon chains, the better the
anti-friction and anti-wear properties and film forming properties of ionic liquids. As the number of cationic carbon
chains in ionic liquid decreased, the steric hindrance effect between anions and cations decreased, which was conducive
to the formation of network hydrogen bonds, the interaction between anions and cations was enhanced, and a more
compact and ordered adsorption film can be formed on the surface of the substrate, thus affecting the quality of the tribo-
film, so it has better tribological properties. The adsorption film characterization test confirmed that the ionic liquid
could form an adsorption layer on the friction surface, which played a surface modification role, thus reducing the degree
of oil depletion, and the less the number of carbon chains, the thicker the adsorption layer. Therefore, the study of the
influence of cationic structure on tribological properties was helpful for the molecular structure design of ionic liquid
additives with excellent tribological properties and film forming properties.
Key words: ionic liquid additive; protic ionic liquid; frictional property; film forming characteristic; cationic carbon
chain

离子液体因其不易挥发、热稳定性强和独特的离 作为PAO油添加剂，通过摩擦学试验和分子动力学模
子结构等优异的物理化学性质在多种领域均有应用 [1-3] . 拟研究发现离子液体阴离子和阳离子之间的相互作
[4]
自2001年刘维民团队 发现离子液体(Ionic liquids, ILs) 用会形成吸附膜，而具有短烷基链阴离子能获得更致
[30]
作为润滑剂获得较低的摩擦系数和磨损量后，离子液 密的离子层，从而取得更好的润滑性能. Guo等 研究
体作为1种潜在的润滑剂或润滑添加剂，一直是摩擦 6种具有不同链长的质子型离子液体在钢/铝接触副上
学界的研究重点，大量研究结果表明离子液体作为润 的润滑性能，结果表明离子液体的溶解性和减摩性能
[31]
滑剂或润滑添加剂能发挥较好的润滑效果 [5-11] ，并且 同阳离子链长和氢键强度相关. Huang等 利用石英
研究人员利用离子液体的可设计性 开发出了结构 晶体监测仪(QCM)研究了PILs添加剂的吸附性，并利
[12]
迥异且能够有效提升润滑性能的新型离子液体. 受限 用XPS(X光射线电子能谱仪)检测了可能的摩擦化学
于高昂的制作成本，人们多将离子液体作为润滑添加 反应. 结果表明，阳离子的强吸附性对润滑性能起着
剂进行使用. 目前离子液体一般可以分为质子型离子 更重要的作用. 而极性基团的吸附是界面润滑膜形成
[32]
[33]
液体(Protic ionic liquids, PILs)和非质子型离子液体 的前提 ，Wang等 的研究表明，具有较低空间位阻
(Aprotic ionic liquids, AILs)，先前研究的离子液体多为 结构的ILs更易吸附在基底上形成更致密的吸附膜，
非质子型离子液体，这一类的离子液体经过大量的研 并进一步反应形成更致密的润滑膜. 另外阴离子烷基
究和开发取得较好的实用效果 [13-16] ，不过仍存在制备方 链的长短会影响形成的润滑膜的厚度和致密性 [34-35] . Qu
[36]
式复杂、易水解对金属基底产生腐蚀和油溶性差的局 等 研究了一系列PILs在极性油和非极性油中的溶解
限性 [17-18] . 相比之下，质子型离子液体在非极性油中的 性和摩擦性能，研究发现PILs在两者中均具有较好溶
溶解性较好，且合成路线简单、制备成本低、毒性低 解性，且阴离子和极性油可吸附在界面上，从而降低磨
[19]
以及化学稳定性好 ，因此引起科研人员的广泛关注. 损，在非极性油PAO中，短烷基链的离子液体具有更
专家学者们对质子型离子液体的摩擦学性能和 好的摩擦学性能，而极性油PEG (聚乙二醇)与之相反.
[20]
润滑机理开展了大量研究，Barnhill等 对比了4种叔 综上所述，质子型离子液体具有优异的减摩性
铵质子离子液体和5种季铵非质子离子液体作为添加 能，其阴阳离子的结构组成对润滑性能的影响不可忽
剂的摩擦学性能，结果发现质子型离子液体减摩性能 视. 目前对于质子型离子液体的研究大多侧重于阴阳
更优异，所形成的润滑膜更坚韧不易破坏. 目前有研 离子链长变化的影响，作为离子液体的结构组成之
究认为，润滑添加剂的润滑性能取决于它们在界面上 一，阳离子碳链数目对离子液体添加剂的润滑性能的
的吸附力和摩擦化学反应能力 [21-28] . 而对于离子液体 影响规律尚不明确. 目前按阳离子碳链数目的不同，
来说，其阴阳离子的结构组成对润滑性能的影响也不 质子铵盐离子液体可分为伯铵(1条碳链)、仲铵(2条碳
[29]
可忽视. Fang等 制备了5种脂肪酸质子型离子液体 链)和叔铵(3条碳链)离子液体.