CeO2/A-BDS复合材料的制备及其在水基润滑剂中的极端压力性能研究

针对水基润滑剂承载能力不足的瓶颈问题，研究人员创新性地将CeO2颗粒与酸化生物柴油烟灰（A-BDS）复合，开发出具有优异分散稳定性和摩擦学性能的CeO2/A-BDS添加剂。该复合材料通过形成保护性摩擦膜，显著提升水基润滑剂在高载荷条件下的极端压力性能，为环境友好型高性能润滑剂的开发提供新策略。

　　

随着环保要求的日益严格，水基润滑剂因其生物可降解、低毒性等优势成为石油基产品的理想替代品。然而，这类润滑剂存在致命短板——在极端工况下的承载能力不足，严重制约其工业应用。如何突破这一瓶颈，成为摩擦学领域亟待解决的难题。传统解决方案往往依赖有机添加剂或聚合物，但这些材料在高温高压条件下容易失效。近年来，稀土基纳米材料因其独特的电子结构和表面活性崭露头角，其中氧化铈（CeO₂）在油基润滑体系中表现突出，却因在水相中分散性差而难以应用。

巢湖大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向生物柴油发动机的废弃物——生物柴油烟灰（Biodiesel Soot, BDS）。通过酸化和原位合成技术，成功制备出CeO₂/酸化BDS（CeO₂/A-BDS）复合材料。这项发表于《Applied Surface Science Advances》的研究，创新性地实现了稀土材料在水基润滑体系中的高效利用。

研究采用透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术表征材料特性，通过摩擦磨损试验机评估润滑性能，并结合分子动力学模拟揭示作用机制。团队首先对BDS进行酸化处理，引入羧基等亲水基团改善分散性；随后通过溶胶-凝胶法在A-BDS表面原位生长CeO₂纳米颗粒，形成核壳结构复合材料。

材料表征显示：酸处理使BDS边缘锐化并暴露更多活性位点，CeO₂纳米颗粒（5-10 nm）均匀锚定在A-BDS表面。XPS分析证实复合材料中存在Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对，这是其摩擦催化活性的关键。

摩擦学性能测试表明：含0.5 wt% CeO₂/A-BDS的水基润滑剂，摩擦系数较纯水降低82.7%，磨损体积下降90.3%。在392 N高载荷下，复合材料仍能维持稳定润滑，最大无卡咬负荷（PB值）提升至980 N，远超单一组分添加剂。

机理分析揭示：CeO₂/A-BDS通过三重协同效应发挥作用——CeO₂在摩擦过程中发生价态转变，催化生成含Ce-O-Fe键的摩擦反应膜；A-BDS的碳骨架提供机械支撑；两者界面处的氧空位促进应力分散。分子模拟进一步证实，复合材料在金属表面形成的吸附膜能有效抑制微凸体穿透。

这项研究的意义在于：首次将废弃BDS转化为高性能润滑添加剂，实现"变废为宝"；开发的CeO₂/A-BDS复合材料突破稀土材料在水基体系的应用限制；提出的"摩擦催化-机械承载"协同机制为新型润滑剂设计提供理论指导。该技术不仅显著提升水基润滑剂的极端压力性能，其环境友好特性也符合碳中和战略需求，在风电、冶金等重载领域具有广阔应用前景。