电接触领域导电润滑添加剂及其摩擦学行为的研究现状_李红.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21100218-1基金项目:国家自然科学基金(52074017);北京市自然科学基金(3202002);2021 年度北京工业大学国际科研合作种子基金项目(2021A14);2021年度中国-中东欧国家高校联合教育项目(2021113)This work was financially supported by National Natural Science Foundation of China(52074017)，Beijing Municipal Natural Science Foundation(3202002)，International esearch Cooperation Seed Fund of Beijing University of Technology(2021A14)and China-CEEC Joint Education Project for HigherEducation(2021113)zhxleebjuteducnDOI:10.11896/cldb.21100218电接触领域导电润滑添加剂及其摩擦学行为的研究现状李红1，陈梓嵩1，栗卓新1，祝静1，Erika Hodlov21北京工业大学材料与制造学部，北京 1001242斯洛伐克科学院材料与机械研究所，布拉迪斯拉发 84513导电润滑剂对减少电接触过程的摩擦磨损，提高效率，延长服役寿命，促进电力电子、航空航天、轨道交通领域的绿色化、智能化和高效化发展具有重要作用。但现阶段导电润滑剂存在耐热性、分散稳定性、抗氧化性和抗腐蚀性能不足等问题，难以满足电磁场、温度场、摩擦热应力场及多场耦合复杂工况的苛刻要求。国内外学者对各种新型导电润滑添加剂进行了研究，包括石墨烯、碳纳米管、导电聚合物以及离子液体等，发现上述材料作为油基添加剂可在电接触副界面发生摩擦物理吸附和化学反应，形成摩擦反应膜，起到减小接触电阻、提高界面载流效率、减少接触副磨损、提高表面抗腐蚀性等作用。本文通过综述金属基、碳基、离子液体基以及复合型导电润滑添加剂的摩擦学行为的研究现状，分析电接触副间接触摩擦反应膜的尺寸、形态、分布以及力学性能对配副摩擦学行为的影响，总结了添加剂尺寸、成分、浓度、分散性对导电润滑剂减摩抗磨性能的影响规律，归纳了添加剂的润滑机理，并展望了导电润滑添加剂在电接触领域的发展趋势。关键词电接触润滑摩擦学导电润滑添加剂反应润滑膜中图分类号:TH117文献标识码:Aesearch Status of Conductive Lubricated Additives for Applications in ElectricalContact and Tribology BehaviorLI Hong1，CHEN Zisong1，LI Zhuoxin1，ZHU Jing1，Erika Hodlov21Faculty of Materials and Manufacturing，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China2Slovak Academy of Sciences，Institute of Materials and Machine Mechanics，Bratislava 84513，Slovak epublicConductive lubricants play an important role in reducing friction and wear during electrical contact，improving efficiency，prolonging service life，and promoting green，intelligent and efficient development in power electronics，the aerospace industry and rail transit However，at thisstage，conductive lubricants demonstrate problems such as insufficient heat resistance，dispersion stability，oxidation resistance and corrosion re-sistance，and it is difficult to meet the harsh requirements of complex working conditions in electromagnetic，temperature，frictional thermal stressand multi-coupled fieldsNumerous scholars have studied various new conductive lubricated additives，including graphene，carbon nanotubes，conductive polymers，and ionic liquids It has been found that the aforementioned materials added to conductive lubricants as oil-based additives can produce frictionalphysical adsorption and a chemical reaction at the electrical contact sub-interface，forming a friction reaction film that plays a role in reducing con-tact resistance，improving interfacial current-carrying efficiency，reducing contact pair wear，and improving surface corrosion resistanceIn this paper，by reviewing the research status of tribological behavior in metal-based，carbon-based，ionic-liquid-based，and composite con-ductive lubricant additives，the influence of size，shape，distribution and mechanical properties of lubricant film on the tribological behavior of thepair is analyzed The influence of size，composition，concentration，and dispersity of conductive lubricant additives on the anti-friction and anti-wear performance of lubricants is summarized，as is the lubrication mechanism Finally，we look ahead to the development trends of conductiveadditives in the electrical contact fieldKey wordselectrical contact，lubrication，tribology，conductive lubricated additive，reaction lubricating film0引言电接触现象广泛存在于电力电子、航空航天、交通运输等众多领域，近年来，随着自动控制和信息技术的快速发展，电接触性能成为这些领域中影响系统可靠性和稳定性的一个关键因素1。导电润滑剂作为提升电接触性能的有效手段，被广泛应用于铁路受电弓、输变电线路接头、开关中的镀银搭接面、地铁接触轨、智能焊接设备配件中，其导电能力、耐磨性能、抗腐蚀性能和低接触电阻特性直接影响系统的正常运行及服役寿命2-4。在电力电子领域，导电润滑剂不仅能减少电气开关、电机轴承、集成电路、微电子机械系统、输变电设备5-10 中的机械磨损和电气磨损，还能有效提升润滑效率，减小接触电阻，延长设备的使用寿命。近年来混合动力汽车与电动汽车的市场规模逐步扩大11，汽车电气化趋势对润滑油的导电性及相关安全问题提出了大的挑战。因为电车的机电系统承受着更高的电流、负载以及温度12，而传统燃油车润滑油会受电场影响而降解失效，导电性难以满足需求13，所以研制具备良好电气性能与润滑性的专用导电润滑剂成为该领域的最新热点。21100218-2按照导电润滑添加剂的种类，可将导电润滑剂分为金属基、碳基、聚合物基、离子液体基以及复合型，其作用主要有14:(1)增加实际传导电流作用的接触斑点15 数目和摩擦副的实际接触面积，减小接触电阻，提升导电性;(2)所含纳米颗粒通过自修复13、摩擦化学反应成膜、形成微纳滚动轴承以及表面抛光等机制16 来降低摩擦磨损;(3)所含抗氧化和缓蚀剂起到抗腐蚀作用;(4)填充于接触面缝隙，有效将热能传导至环境中，达到冷却和抑弧作用。目前，国内外学者普遍认为环境腐蚀、摩擦、机械磨损、电弧侵蚀以及接触电阻是影响导电润滑剂电接触性能的主要因素。本文综述了金属基、碳基、离子液体基以及复合型导电润滑剂的最新研究进展，介绍了不同类型导电润滑添加剂在润滑油脂里的摩擦学行为及润滑机制。1金属基导电润滑添加剂纳米材料因其独特的表面效应、小尺度效应已被广泛应用于润滑领域，其作为添加剂可增强基础油脂的导电性以提高载流效率，削弱因电荷在电接触副表面过度聚集而产生的闪络现象，从而减少电气损伤17;主要以添加导电润滑性优异的纳米金属单质和金属硫化物的金属基导电润滑剂为代表，金属基纳米材料占润滑添加剂总数的比例约为 72%18。11金属单质颗粒具备高电导率、高延伸率、低剪切应力、低熔点等特殊物化性能的纳米金属颗粒在被用作润滑添加剂时，表现出优异的减摩、抗磨和自修复特性。据美国内务部工程手册记载，含锌颗粒的导电润滑剂可应用于铝自配副或铝-铜接触副，而电阻率更低的金属颗粒作为导电润滑添加剂时，可应用于铜自配副连接14。李星伟等19 以纳米锌粉为导电粒子，加入到含抗腐蚀、抗氧化剂的甲基无硅油中，经研磨、分散、改性等工艺制得导电润滑剂，盐雾腐蚀实验表明，将其涂覆在铝自配副以及铝-铜之间时，接触面无腐蚀现象发生，同时减小了金属导体间的接触电阻。El-Adly 等20 采用铝粉作为导电微粒，制备了导电润滑剂，与进口润滑剂对比了导电能力、滴点、锥入度、耐蚀性能、酸度值等参数，发现所制备的润滑剂综合性能优异，可替代商业产品用于电接触的润滑。Si 等21 以聚 烯烃(PAO)和离子液体(ILs)为基础油，分别向二者中加入粒径不同的 Cu、Ag 纳米粒子，合成了多种导电润滑剂。基于多组球-盘载流摩擦磨损试验结果，得到了电流与摩擦系数(Coefficient of friction，COF)及磨损率的关系(见图 1和图 2)，可以看出含 01%(质量分数)Cu 纳米颗粒(Nano-particles，NPs)的离子液体润滑油摩擦学性能最优异，从而得出结论:导电润滑剂的载流磨损性能不仅与导电添加剂的成分有关，而且受纳米粒子尺寸和基础油电导率的影响。粒子尺寸越小，基础油电导率越高，导电润滑剂的摩擦学性能越好。摩擦副材料形成滑动电接触时，在副间电弧热、机械摩擦热以及焦耳热的协同影响下，会发生显著温升，从而影响基体材料的力学性能，直接造成严重的黏着和氧化磨损。Luniak 等22-23 研究了银基导电润滑剂的性能，发现接触副间电阻降低了 70%，从而大幅减小温升，同时可靠性提升了 24 倍。关于其导电机制，随银添加剂含量增加，基体粉末相互图 1载流条件下不同导电润滑剂的平均摩擦系数21 Fig1Average friction coefficients under the lubrication of various mixed so-lutions21 图 2不同导电润滑剂条件下，铜盘磨损量随电流的变化情况21 Fig2Wear volume of the Cu sheets under various lubricated conditions withdifferent electric currents in magnitude21 接触的概率增大，从而形成更完善的导电导热通路，这与王萍等24 的研究规律一致。而 Abad 等25 发现金属添加剂在导电润滑剂中存在最佳浓度，当 Pd 纳米粒子作为导电添加剂时，最优添加浓度为 5%(质量分数)，能够形成较均质的摩擦膜，起到边界润滑作用。12金属硫化物典型的金属硫化物导电润滑剂包括 FeS、MoS2和 WS2等。沈沉26 采用四探针法表征了二硫化钼的导电性能，在400 N 压片下，其电阻率为 201103cm，电导率为 498104Scm1;硫化铁具有随压强变化而发生相变的特性，在063 GPa范围内，表现为由半导体到半金属再到金属的相变，其电导率随着压强增大在 008 105 MS/m 范围内变化27。文献 28 指出，二硫化钨作为半导体，其层状结构使得层间的相互作用相对较弱，室温电导率仅为 317102Scm1，而与聚吡咯(Polypyrrole，PPy)结合制成 PPy/WS2复合材料时，可将电导率提升至 325102Scm1，这是由于复合材料中的聚合物分子平面与基体单层排列的 WS2 层平行，在共轭 轨道和半导体基体层间产生耦合效应而利于有机和无机组分之间的电子传输。MoS2纳米颗粒具有稳定的层状球结构，其作为液体润滑添加剂时的减摩性能显著优于微米级尺度，目前作为传统润滑添加剂已得到了广泛应用。具有中空多面体层状结构的纳米级 MoS2和 WS2被称为类富勒烯纳米颗粒，当分散于液体溶剂时具有良好的减摩性能29。Zhou 等30 研究了 20200 nm 的 FeS 添加剂在机油中的抗磨行为。总之，由于硫原子在亚表面层所形成的扩散区域起到持续减摩作用，硫化物纳米粒子添加剂都会显著降低摩擦副间的摩擦系数，表1 归纳了这几种硫化物纳米导电润滑剂的研究情况。材料导报，2023，37(13):2110021821100218-3表 1金属硫化物作为润滑剂添加剂的研究情况Table 1esearch progress of metal sulfide NPs as lubricant additives纳米润滑剂参数(尺寸/体积分数/基础油)试验装置及条件(载荷、测速和温度)试验结果(摩擦系数和磨损量)参考文献FeS20200 nm/0%2%/商用 API SL/CF 10W-40 机油销-盘/50 N、150 N/150 r/min/25 摩擦系数显著降低 29MoS2150、350 nm/1%/PAO 4 和 PAO 40环-块/10N/80 摩擦系数 020006磨损量降低 600%3150100 nm/0%2%/癸二酸二辛酯球-盘/784 N/01 ms1/60 摩擦系数降低 35%磨损量降低 37%32100 nm/2%/PAO球-盘/35 N/000232 ms1/室温磨损量降低 30%50%3350 nm/1%/SE 15W-40盘-盘/1 500 N/500 r/min/室温显著降低 3490 nm/053、058%/菜籽油、矿物油销盘、四球/100200 N/100300 r/min/30120 显著降低 35WS290 nm/05%2%/合成油 5W-30四球/392 N/1 450 r/min/室温摩擦系数 008014磨损量降低 1151%36金属单质及化合物颗粒作为传统润滑油添加剂一直被摩擦学界广泛应用，而针对电磁场特殊摩擦工况，目前的研究还不够充分，现主要集中在对一些导电性良好的金属单质(如铜、银等)作为油基添加剂的润滑油进行载流摩擦试验，但单一金属粒子的轴承润滑作用有限且原料成本较高，而具备高效润滑性的二维层状金属硫化物材料可与之互补，二者复合作为金属基导电润滑剂应用于电气化机械系统是未来研究的发展方向。2碳基导电润滑添加剂工业上常采用碳基润滑剂对齿轮、涡旋盘、轴承和密封件等进行润滑和保护，与传统的石墨固体润滑添加剂37-40 相比，添加了碳纳米管和石墨烯的新型碳基纳米添加剂具有更优异的导电能力与摩擦学性能，同时导电润滑添加剂的尺寸效应、胶体效应、摩擦界面保护膜形成效应和第三体效应41-43 被广泛认为是降低接触面摩擦磨损的主要机制。21碳纳米管碳纳米管(Carbon nanotube，CNT)的载流密度远高于传统金属，可达 4 109A/cm44，且与金属间的接触电阻较小45，将 CNT 作为添加剂加入到基础油脂中，可以大幅提升润滑剂的导电性。当聚 烯烃合成(PAO 油)中含有 105%20%的碳纳米管时，导电性显著增强，所制备的导电润滑剂体积电阻率为 2 0004 000 cm，远低于传统商用钙基、铝基等导电润滑剂，其主要原因是碳纳米管之间通过范德华力而形成三维逾渗网络，从而提高了导电性46。另有研究显示，CNT 在基础油脂的渗流阀值约为 1%，此时润滑剂的体积电阻率急剧下降，大多数 CNT 层间距离很小，足以与相邻粒子接触或通过电子跃迁形成连续的导电通路或导电网络，而且相同含量的 CNT 与导电炭黑相比具有较低的摩擦系数。当其含量为 05%时，润滑脂的摩擦系数仅为 0078，比基础脂的摩擦系数低 93%47。在油基和水基润滑剂中添加羟基官能化多壁碳纳米管(MWCNT-OH)可以大幅降低电阻率48，如图 3a 所示;当 MWCNT-OH 添加量为 75%(质量分数)时润滑剂电阻率降至 224 cm，与含未改性 MWCNT 的润滑剂对照组相比，导电能力提升了两个数量级，这由于氢键分散形成于润滑剂基体(见图 3b)，促进了电子的移动。不过，由于 CNT 固有的化学惰性，其在润滑油中的分散稳定性显著影响着导电润滑剂的摩擦学行为49。Chen 等50 用硬脂酸对多壁碳纳米管(Multi-wall carbon nanotubes，MWCNTs)进行改性，随后制备了浓度为 045%(质量分数)的导电润滑剂。销-盘摩擦试验结果表明，改性后的碳纳米管粒子的分散性与减摩抗磨性都得到了显著提高。此外，碳纳米管在分散剂中的成膜能力对它的摩擦学行为也起到重要作用。Chauveau等51 使用一种可测量摩擦界面接触力与膜厚的试验机，探究了多壁碳纳米管基导电润滑剂在弹性流体动力润滑条件下的摩擦学行为。研究人员发现，在纯滚动摩擦下，润滑剂中 CNTs 的摩擦成膜能力是其浓度的函数。当摩擦界面处于剪切状态时，在钢与硅基玻璃摩擦副表面形成了易剪切的薄膜，降低了摩擦系数。图 3(a)含不同添加剂的 N650HT 矿物油脂的电阻率;(b)羟基官能化后的碳纳米管与基体形成氢键的机制示意图48 Fig3(a)esistivity comparison of N650HT-based greases;(b)schematicof hydrogen bonding between CNT-OH and a water molecule48 22石墨烯作为纳米级碳同素异形体之一，石墨烯凭借高化学惰性、超高强度以及层间的低剪切应力而展现出优异的摩擦学性能，作为固体和液体导电润滑剂具有明显的减摩节能效电接触领域导电润滑添加剂及其摩擦学行为的研究现状/李红等21100218-4果52-54，其摩擦磨损行为受到石墨烯层厚、形态、制备工艺及表面化学处理工艺的影响55-58。大量实验证实微纳米级石墨烯用作导电润滑添加剂可将摩擦配副磨损率降低 34 个数量级。Huang 等59 证明了含石墨烯添加剂的导电润滑剂可以在摩擦界面形成摩擦膜，提升摩擦磨损性能。制约纳米石墨烯在导电润滑剂制品中应用的关键问题是其在基础油脂中的分散稳定性较差，易团聚成大尺度粒子而不能进入摩擦界面的间隙，造成不稳定摩擦。一些有机分子配体活性剂能够帮助分散纳米颗粒，Zhang 等60 对油酸改性石墨烯片施加 15 min 超声，得到了均匀分散的石墨烯基导电润滑剂，并在摩擦磨损试验中验证了其微量润滑功效。当石墨烯添加量为 002%006%(质量分数)时，钢材摩擦副间的摩擦系数及含铬钢材表面的磨斑直径较基础油分别降低 17%和 14%。但有机分散剂在严苛工况(高温、受流下)易分解失效，因此，不添加表面活性剂的自分散颗粒的开发和研究是很必要的。此外，基于原子尺度的石墨烯基导电润滑剂的纳米摩擦学研究显示，石墨烯会粘附于摩擦副基体，其结合强度主要由形态决定61。研究表明，纳米碳材料还能改变基础油脂的粘度，从而间接减少增稠剂和其他添加剂的含量62。综上，以碳纳米管和石墨烯为主的碳纳米材料作为添加剂时，可显著改善基础油脂的导电润滑性能，碳纳米材料的粘度调节特性可以减少润滑油中常规粘度调节添加剂的用量，常规粘度调节添加剂包括硫、磷和钼，然而这些添加剂的使用对环境和人体健康存在危害，碳纳米材料在润滑油中的使用则实现了绿色环保的润滑作用。但由于碳纳米材料易团聚的特性，一般需要向基础油中添加表面活性剂，如此一来，既增大成本又不利于环境友好，因此，具有良好分散稳定性的原位改性碳纳米材料以及自分散溶剂油的开发至关重要。3离子液体基导电润滑添加剂离子液体(Ionic liquids，ILs)是一种室温有机熔融盐，多年来作为高效的绿色溶剂而得到了广泛应用。21 世纪初，中科院兰州物化所率先制备了离子液体润滑剂63，作为一种新型环境友好型和高性能润滑剂，其在摩擦学领域得到广泛研究。但是，纯离子液体与传统矿物油、合成油相比，合成与制备成本较高且产率较低，仅在诸如微机电系统和航空航天这种不计成本的领域中小规模应用，纯离子液体的大规模工业化应用受到了限制64。因此，将离子液体作为润滑添加剂应用于基础油脂中具备广阔的应用空间，近年来也得到了广泛研究。通常，离子液体可以被添加到不同的润滑油中，如高极性聚醚、聚酯、低极性矿物油、合成油 PAO 等65。离子液体种类繁多，其中咪唑类离子液体作为油基润滑添加剂的研究最为普遍，离子液体具有许多特性，包括:高导电性、不燃性、低挥发性、强热稳定性、强化学稳定性、电化学窗口较宽，以及阴阳离子可调节性66，在电接触、载流摩擦磨损及焊接领域中应用具有特殊的优势。吴礼宁67 为了解决电接触界面能耗过大的问题，以离子液体为导电添加剂制备了润滑脂，并研究了其导电与润滑性能。结果表明，自制润滑剂的导电能力与所添加离子液体的浓度呈正相关，且低浓度离子液体添加剂即可替代价格昂贵的金属基导电脂，同时复合脂的摩擦学性能得到了极大提升。Cao 等68 以 LB104(硼酸盐)和 LP104(磷酸盐)两种离子液体为导电润滑油，将其用于铜摩擦自配副润滑。载流摩擦磨损试验表明配副间的接触电阻、摩擦系数和磨斑直径均大幅降低，图 4 展示了离子液体在电场下的润滑机制示意图。空载下，阴、阳离子会混合吸附在接触副界面(见图 4a)，当摩擦副通电形成电接触时，离子液体与接触副界面的相互作用会受到电流影响，阳离子或阴离子会在库仑力作用下单侧吸附于负极或正极基体表面(见图 4b)，所吸附离子量则主要由电流强度决定，电流强度越大，电接触副界面离子吸附量越大。离子液体展现的优异载流摩擦性能归结于其良好的导电能力和接触界面反应成膜的特性，且电导性越高、生成的摩擦膜越致密，摩擦学性能越好。文献 69 表明包括 OMIm BF4、OMIm PF6和 DMIm PF6在内的三种 ILs/PC溶液的摩擦学性能与服役电位有相似的依赖关系，当电位从06 V 到+06 V 变化时，COF 显著增大;电位低于06 V时，COF 处于 013 的低水平;电位高于+06 V 时，COF 增大至 02 附近。电流极性为负时，会加快电接触副阴极表面的电子向阳极表面的移动速率，产生的冲击力与摩擦力耦合，使得摩擦系数略高于正极性的情况21。Huang 等70 研究了油溶性离子液体在聚 烯烃基础油中的摩擦学性能，相同浓度下，两种离子液体对钢-钢配副的润滑性能均优于传统极压抗磨剂二烷基二硫代磷酸锌(Zinc dialkyl dithiophosphate，ZDDP)。图 4离子液体有/无载流下的润滑机制图(上球试样为正极，下盘试样为负极)68 Fig4Schematic diagram of the ILs lubrication in the absence and presenceof an applied voltage(upper ball is positive electrode and the lower disc isnegative electrode)68 此外，离子液体中含有大量可导电的离子或自由电子，当通电后，导电粒子便会有序排列，充当导线作用71-72，因此作为导电润滑添加剂，离子液体能够满足导电润滑剂的需要，提高其形成电接触时的可靠性。离子液体的润滑性能优于基础油及润滑油，但对其润滑机制的研究是随着测试表征技术的发展不断建立起来的。一般而言，在滑动摩擦过程中，ILs 通过物理和化学吸附作用以及与基体金属的摩擦反应，会在接触区域形成吸附膜和摩擦膜，减小配副金属的实际接触面积，从而减少摩擦磨损73。学者们通常采用 X 射线光电能谱(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)分析技术对磨痕进行表面元素分析，但目前仍无法直接证实吸附膜的存在64，74。电接触电阻(Electrical contacts resistance，EC)测量为摩擦边界膜的动力学研究提供了定性数据75-77，Vies-材料导报，2023，37(13):2110021821100218-5ca 等77 采用 EC 为定性指标，研究了含硼酸盐离子液体添加剂的导电润滑剂的摩擦膜形成机理。结果表明，含 ILs 的导电润滑剂边界膜的形成速度大于基础润滑剂。另外，与基础油相比，离子液体基导电润滑油具备较稳定的接触电阻，侧面印证了其能在摩擦界面生成减少金属配副接触的边界润滑膜。而 EC 原位测量和 TEM 截面分析则直接证实了离子液体导电润滑剂在金属配副界面形成了摩擦膜。此外，同种 ILs 润滑条件下，不同金属表面生成的膜厚不同，对于铸铁、钢和铝，磨损表面的膜厚分别为 300 nm、60 nm 和 200 nm78。值得一提的是，摩擦反应产物会抑制离子液体的物理和化学吸附行为，但摩擦表面会在较高载荷的机械刺激下产生活性位点，阴离子会与这些活性位点产生化学结合，以含钢摩擦基体为例，钢表面会生成由 FeF2和 B2O3(基于 BF4)，FeF2、FeF3和 FeS(基于 NTf2)，FeF2、FeF3和 FePO4(基于PF6)组成的摩擦膜。这些摩擦膜可以防止基体金属直接接触，进而使 ILs 更好地发挥润滑能力。近年来，又有大量关于ILs 润滑时边界保护膜的进一步表征和研究数据，包括厚度、结构、成分及力学性能。Qu 等79-81 借助 TEM、EDS 面扫描和电子衍射技术研究了铸铁表面在磷酸盐离子液体润滑油中生成的摩擦膜，发现其厚度为 10220 nm，而且摩擦速度、摩擦副材料和基础油种类几乎不会对膜的结构和成分造成影响。此外，在较高的热机械应力下碳钢和铸铁摩擦副之间会形成双层结构的边界润滑膜80-81。为了进一步探究 ILs 摩擦学性能与摩擦膜力学性能的关系，采用纳米压痕技术对膜的硬度进行测试82-83。研究表明，摩擦膜从表面到内部硬度增大，结合 PL-边缘谱可知，中链磷酸酯的表面膜硬度大于短链磷酸酯83。然而，摩擦膜的硬度几乎不会影响其摩擦学性能，但 ILs 摩擦膜较低的屈服强度有助于摩擦界面的润滑，即有助于提升 ILs 的抗磨性能82。与传统金属基添加剂(如二烷基二硫代磷酸锌 ZDDP)自反应成膜机制不同，ILs 需要外部金属阳离子的供给，因此不含金属元素的离子液体摩擦膜生长机制尚未明确84。最近，有学者通过原子探针层析(Atom probe tomography，APT)技术和扫描透射电子显微(Scanning transmission electron microscopy，STEM)技术，进一步揭示了铸铁材料表面离子液体摩擦膜的生长机理70，84-85。如图 5A 中 ac 所示，STEM 显示出大量的 Fe2O3相嵌入到远离表面块状摩擦膜区的非晶基体中，表明磨屑参与了摩擦膜的形成86。由 APT 图像可以看出，氧化层出现在富磷层与基体之间，会阻碍摩擦膜的形成，并抑制磨屑的产生和破坏，见图 5B 中 a、b。在摩擦过程的热-机械应力作用下，磨屑颗粒发生化学反应，并最终与产物一起被压在表面形成多孔层。随后，磨屑粒子继续被机械破坏并与基体接触反应生成铁的氧化物(Fe2O、FeOx、FePOx)，共存于离子液体摩擦膜中。研究人员推测:氧化铁与磷酸铁作为摩擦反应的前驱体促进了摩擦膜的进一步形成;氧元素的扩散对摩擦膜的扩展起到重要作用，且主要作用于氧化中间层。图 5(A)离子液体润滑油润滑下铸铁磨损表面摩擦膜纵截面的扫描透射电子显微图像:(a)矩形标记区域为快速傅里叶变换(FFT);(b)摩擦膜顶部含纳米颗粒区域;(c)STEM 放大明场像并结合 FFT 证实 Fe2O3相的存在。(B)(a)三维原子探针层析技术下的离子液体层状摩擦膜重构;(b)Fe、Fe2O、O、FePOx和 FeOx的空间分布80，84-85 Fig5(A)Cross-sectional STEM images of tribofilms formed on the cast iron wear scars lubricated by the oils containing ILs:(a)fast Fourier transformation(FFT)of the interface region marked by a rectangle;(b)region of interest showing nanoparticles exist at the top of the tribofilm;(c)magnified STEM BF imageand the associated FFT prove the existence of the Fe2O3phase(B)(a)3D APT reconstruction of the tribofilm produced by the IL showing a graded-layer struc-ture;(b)spatial distributions of Fe，Fe2O，O，FePOx，and FeOx，species80，84-85 综上所述，离子液体作为润滑油脂导电添加剂，不仅可以极大地提升润滑剂的导电性，减小电接触副间的接触电阻，降低摩擦界面的焦耳热，削弱接触副材料的软化效应，减少粘着和氧化磨损，还可以在中温和载流下发生摩擦物化反应成膜，起到边界润滑作用。离子液体与纳米粒子复配时能产生协同润滑效应，目前研究仍以与金属单质颗粒联用为电接触领域导电润滑添加剂及其摩擦学行为的研究现状/李红等21100218-6主，今后应将离子液体作为油基添加剂或分散油剂与更多的润滑材料(如二维材料)复合，以期研制出更绿色高效的导电润滑剂。此外，对于摩擦机理的研究，尽管摩擦学研究人员已经借助各种表征手段揭示了热-机械应力下离子液体摩擦膜是如何在界面形成的，但离子液体吸附膜的形成机制以及特征摩擦化学反应尚未明确，而摩擦化学膜的长大扩展机理也有待利用分子动力学模拟和原位表征技术进一步探究。4复合型导电润滑添加剂复合型导电润滑剂的导电和润滑性能都显著优于单一组分润滑剂，是因为多种导电添加剂复配时可以起到协同作用，并且能够扩大润滑油脂的服役温域，不同添加剂可在不同温度下发挥作用。Xu 等87 研究了在基础油中加石墨烯和二硫化钼对钢自配副的协同润滑效应。石墨烯和二硫化钼的最佳分散浓度分别为 03%和 02%(均为质量分数)。石墨烯/MoS2复合润滑剂较石墨烯单组分而言，配副间摩擦系数和磨损率显著减小，原因在于石墨烯单独服役时可能会被研磨成缺陷粒子，而 MoS2则会被氧化成 MoO3和硫化物，并在摩擦接触应力下形成细小磨粒。石墨烯和二硫化钼协同作用会发生摩擦反应生成功能性石墨烯，同时会抑制二硫化钼及油中其他分子的氧化，减少氧化磨损。Li 等88 将自研的 C-MoS2-Fe2O3(Fe3O4)复合润滑剂应用于焊丝表面涂层，以提升机器人自动焊接时焊丝与导电嘴之间的电接触质量，发现含适量纳米级 MoS2的复合润滑剂可至少降低导电嘴 22%的质量磨损率，随着热输入增大，磨损会出现轻微-严重转变，主导机制由氧化磨损和疲劳剥落转向严重磨粒磨损和电弧烧蚀;之后，其团队进一步建立了焊丝与导电嘴电接触时电气磨损机制模型89，如图 6 所示，随着摩擦过程的进行，机械磨损导致配副间电接触质量下降，接触峰周围会产生电弧放电，导致基体表面材料在高温和电弧冲击力下发生软化，在周期性摩擦应力下发生磨损，并产生烧蚀坑。图 6导电嘴与无镀铜焊丝接触副载流焊态摩擦界面电弧烧蚀机理89 Fig6Mechanism of arc ablation at the rubbing interfaces between the con-tact tube and the non-copper-coated solid wire when current passes the con-tact peaks89 提升润滑剂的导电性可以显著降低电接触副间的电气磨损，纳米掺锑二氧化锡(Antimony tin oxide，ATO)作为一种新型导电添加剂，可以极大地提升导电润滑剂的载流能力。当 ATO 的体积分数从 01%增大到 1%时，导电脂的电导率从0011 5/cm 升高到0030 2/cm。不仅如此，ATO 型导电润滑剂具有出色的摩擦学性能，40 N 载荷下，当添加剂浓度为 05%(质量分数)时，与基础油相比，ATO 型导电润滑油脂摩擦系数下降了 161%，磨斑直径减小了 255%90，如此，ATO 作为油脂添加剂充分展现了导电和润滑的双重作用。基于电动汽车、电气铁路、国防军工等领域各种电气化机械系统的大规模使用，电磁场下的严苛摩擦磨损环境对导电润滑剂提出了满足在更高温度与电磁场强度环境下服役的性能要求，目前研究主要集中在分别将导电性与润滑性优异的添加剂掺杂组合，实现性能补强以发挥协同润滑作用。将各种传统单一导电润滑添加剂复合化成为主流发展趋势，未来将基于生产成本、环境友好性和服役性能等综合因素，针对具体工况(电接触副材料、温度和电磁场强度等)优化现有配方，并持续扩展复合型导电润滑剂新材料的研究和应用范围。5结语(1)金属与碳纳米添加物的尺度、质量分数及分散稳定性是影响导电润滑剂性能的重要因素，其中，通常金属纳米材料和碳纳米材料作为基础油脂添加剂的材料粒径越小、添加含量越低，润滑表现越佳;预先采用油酸、硬脂酸盐、硅烷偶联剂等对导电润滑添加剂进行改性处理，再将其分散于基础油脂中可以显著提升导电润滑性能。(2)离子液体基导电润滑剂拥有较好的载流摩擦学性能，摩擦副在低浓度离子液体基导电润滑剂的接触界面润滑下，表现出较低的接触电阻和摩擦系数，且随摩擦时间变化所映射的接触电阻和摩擦系数曲线的稳定性较高。(3)多种导电润滑添加剂复合作用于摩擦界面时，会产生协同润滑效应，其性能优于单一组分润滑剂。(4)导电润滑剂用于提高电接触性能主要依靠其摩擦物化反应成膜特性，从而起到边界润滑作用，而摩擦膜的尺寸、形态、分布以及力学性能均对配副的摩擦学行为有着重要影响。电接触中的摩擦磨损是涉及机械、电