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为解决传统润滑添加剂含硫、磷造成有害排放，且部分纳米材料添加剂分散性差等问题，研究人员开展了绿色润滑剂添加剂的研究。发现二辛基苹果酸（DOM）能形成石墨碳摩擦膜，显著降低摩擦和磨损，有望替代传统添加剂。
在机械系统运行过程中，摩擦和磨损就像两个 “捣蛋鬼”，会造成大量的能源浪费和材料损耗。为了减少它们带来的负面影响，人们通常会在润滑剂中添加各种抗磨和减摩添加剂。然而，传统的添加剂，比如广泛使用的二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP），虽然能在一定程度上减少磨损，但其中的硫和磷会对汽车的催化转化器造成损害，影响尾气净化效果。此外，一些纳米材料添加剂，像石墨烯、碳纳米管等，虽然具有良好的减摩抗磨性能，可它们在润滑剂中难以均匀分散，时间一长就会团聚或与基础油分离，无法充分发挥作用。因此，开发既环保又能高效减摩抗磨的润滑剂添加剂迫在眉睫。
清华大学先进装备摩擦学国家重点实验室的研究人员针对这一难题展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。研究发现，二辛基苹果酸（DOM）这种绿色添加剂在超低压粘度油（聚 α- 烯烃，PAO）中表现出优异的减摩抗磨性能，有望成为传统添加剂的理想替代品。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：通过摩擦实验，使用 SRV4 摩擦计对添加不同添加剂的 PAO 进行摩擦测试；利用多种表面分析技术，如拉曼光谱（Raman spectra）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）等，对磨损表面进行化学组成和结构分析；借助理论计算，采用密度泛函理论（DFT）模拟和反应分子动力学（ReaxFF MD）模拟，研究 DOM 的反应机理和摩擦膜形成过程。
下面来看具体的研究结果：
- 宏观摩擦学性能：研究人员通过钢球 - 钢盘摩擦计进行摩擦测试，结果显示，在 PAO 中添加 5% 的 DOM 可大幅降低摩擦系数（从约 0.25 降至约 0.11）、磨损轨迹深度（从约 1.5μm 降至约 0.2μm）、宽度（从 -420μm 降至 -224μm）和磨损体积（从?27×10?5 mm3降至?3.7×10?5 mm3）。即使在 176N 的重载荷下，其低摩擦和低磨损性能依然显著。与其他添加剂（如辛醇、油酸、甘油单油酸酯（GMO）和 ZDDP）相比，DOM 的性能更优，且不含硫和磷，更加环保。
- 磨损轨迹的纳米力学性能：纳米压痕测试表明，5% DOM 在摩擦表面形成的岛状膜具有较低的杨氏模量和硬度，且表现出粘弹性。原子力显微镜（AFM）测试发现，该膜在纳米尺度下能抵抗 AFM 针尖的磨损，并提供低摩擦。这些特性使得 DOM 在纳米尺度上也能有效减少摩擦和磨损。
- 磨损轨迹上的摩擦化学反应：通过 Raman 光谱、FTIR 光谱、XPS 和 TEM 等分析手段，研究人员发现 5% DOM 在 PAO 中形成的磨损轨迹表面存在石墨碳材料，且形成了约 30nm 厚的碳膜。该碳膜有效减少了摩擦和磨损，而铁单原子的存在对碳膜的形成起到了关键的催化作用。
- 分子结构对机械化学的影响：研究表明，DOM 的分子结构使其在钢表面具有更强的吸附能力和化学反应活性，这有助于形成石墨碳摩擦膜。通过对不同链长的二酯类添加剂研究发现，由短链羧酸衍生的二酯（如 DOT、DOF）更容易形成石墨碳摩擦膜，因为其产生的自由基能通过孤对效应得到稳定，从而引发摩擦化学反应。
- 摩擦副对机械化学的影响：实验发现，只有在钢表面，5% DOM 才能有效降低摩擦和磨损并形成石墨碳摩擦膜。这表明钢（或钢中的铁）对石墨碳的形成至关重要，铁单原子在其中起到了催化作用。DFT 模拟和 ReaxFF MD 模拟进一步揭示了铁单原子对 DOM 转化为石墨碳摩擦膜的催化机制。
综上所述，本研究成功开发出绿色高效的抗磨减摩添加剂 DOM，其在极端载荷和超低粘度油中表现出色。DOM 的优异性能源于其在摩擦表面原位形成的石墨碳摩擦膜，该摩擦膜由短链羧酸衍生的二酯在铁单原子的催化作用下形成。这一研究成果为未来工业应用中设计高效、可持续的抗磨减摩添加剂提供了新策略，有望推动润滑技术的绿色发展，减少能源消耗和环境污染，在机械工程、汽车制造等领域具有广阔的应用前景。
