铈氧化物修饰生物柴油碳烟复合材料的水基润滑添加剂摩擦诱导结构转变与润滑机制研究

为解决水基润滑剂承载能力不足的关键问题，研究人员开发了CeO2/A-BDS复合纳米添加剂，通过铈氧化物与酸化生物柴油碳烟的协同作用显著提升润滑性能。该研究揭示了高载荷条件下摩擦诱导结构转变的润滑机制，为开发环保高性能润滑剂提供了新策略。

　　

在追求可持续发展的今天，水基润滑剂因其环境友好特性备受关注，但一个致命弱点始终制约着它们的应用——就像试图用清水来支撑千斤顶，其有限的承载能力让工程师们头疼不已。传统石油基润滑剂虽然性能优异，却面临着日益严峻的环境压力，这种两难境地催生了科学家们对新型润滑添加剂的探索。

巢湖大学（国内研究机构）的研究团队将目光投向了两种特殊材料：具有优异摩擦学性能的稀土氧化物CeO₂，以及来自生物柴油发动机的废弃物——生物柴油碳烟(BDS)。通过巧妙的材料设计，他们开发出CeO₂/A-BDS复合纳米添加剂，就像为水基润滑剂装上了"纳米减震器"，成功解决了承载能力不足的难题。

研究人员采用酸化处理改善BDS表面性质，通过原位合成法制备CeO₂/A-BDS复合材料，利用透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料结构，通过摩擦磨损试验机评估润滑性能，结合分子动力学模拟分析润滑机制。生物柴油碳烟样本来自定制设计的碳烟捕获装置。

材料表征结果
TEM分析显示，酸化处理使BDS颗粒边缘更锐利，内部晶格结构更有序。CeO₂纳米颗粒均匀分布在A-BDS表面，形成独特的"葡萄串"结构。XPS证实复合材料表面存在Ce³⁺/Ce⁴⁺混合价态和丰富的含氧官能团，这些特征对润滑性能至关重要。

分散稳定性测试
CeO₂/A-BDS复合材料在水中的分散稳定性显著优于单一组分，静置7天后仍保持良好分散。这种优异的稳定性源于酸化处理引入的亲水基团和CeO₂纳米颗粒的锚定效应。

摩擦学性能评估
在四球摩擦试验中，含0.5wt% CeO₂/A-BDS的水基润滑剂使摩擦系数降低62%，磨斑直径减小75%。特别值得注意的是，在800N高载荷下仍能保持稳定润滑性能，这是纯水基润滑剂无法企及的。

润滑机制分析
高分辨TEM和Raman光谱揭示，摩擦过程中复合材料在钢表面形成了由非晶碳、CeO₂和氧化铁组成的纳米结构保护膜。分子动力学模拟表明，CeO₂的催化作用促进了摩擦界面石墨化转变，而BDS的层状结构提供了易剪切面，二者协同实现了优异的减摩抗磨效果。

这项研究不仅实现了"变废为宝"——将生物柴油发动机的废弃物转化为高性能润滑添加剂，更重要的是建立了稀土氧化物-碳材料复合润滑体系的设计原则。CeO₂/A-BDS复合材料展现的环境友好特性和卓越摩擦学性能，为开发新一代可持续润滑剂提供了重要参考。该成果对推动机械装备绿色化发展、实现"双碳"目标具有积极意义，相关技术路线还可拓展应用于其他稀土-碳复合材料体系。