胺基与羟基功能化共聚物作为硅掺杂类金刚石碳涂层润滑添加剂的摩擦学性能比较研究

为解决传统含金属润滑添加剂的环境污染问题，研究人员开展胺基(DMAEMA)与羟基(HEMA)功能化共聚物在硅掺杂类金刚石碳(Si-DLC)涂层上的摩擦学性能研究。通过实验与计算模拟结合，发现DMAEMA通过强N-Si键在高压下维持低摩擦磨损，而HEMA仅适用于低载荷条件。该研究为电动汽车传动系统无金属润滑剂设计提供理论指导。

　　

随着全球对环保要求的日益严格，传统含锌、磷的润滑添加剂正面临淘汰危机。这类添加剂虽能有效减少发动机磨损，但其残留物会毒化汽车尾气处理装置。与此同时，电动汽车的普及对润滑系统提出全新挑战——电机运行时油温更低，但启停更频繁，且需承受电流干扰。如何在无金属添加的前提下实现高效润滑？钻石般坚硬的类金刚石碳(DLC)涂层本应是理想选择，但其表面化学惰性却成为润滑剂吸附的障碍。

葡萄牙科英布拉大学的Takeru Omiya团队在《Applied Surface Science》发表研究，创新性地将硅掺杂DLC(Si-DLC)与功能化共聚物结合。研究人员通过磁控溅射制备含14.4 at.%硅的Si-DLC涂层，采用SARA ATRP(补充活化剂还原剂原子转移自由基聚合)合成含胺基(PLMA-b-PDMAEMA)和羟基(PLMA-b-PHEMA)的嵌段共聚物。借助往复式球-盘摩擦试验机测试20-80℃温度区间及3-100N载荷下的摩擦磨损性能，结合动态光散射(DLS)分析聚合物聚集态变化，并运用密度泛函理论(DFT)计算分子吸附能分布。

3.1 低载荷条件下的摩擦测试

在3N载荷下，两种功能化共聚物均比非功能化PLMA摩擦系数降低40%以上。温度升至40℃后，功能化共聚物摩擦系数快速稳定在0.08-0.1区间，而PLMA在60℃以上出现摩擦回升。DLS显示20℃时功能化共聚物形成500nm大尺寸聚集体，延缓了表面吸附过程。

3.2 高载荷磨损测试

100N边界润滑条件下，PLMA-b-PDMAEMA展现显著优势：摩擦系数稳定在0.12，磨损量比PLMA降低65%。而PLMA-b-PHEMA虽比PLMA磨损减少30%，但摩擦系数无改善。

3.3 第一性原理分子吸附计算

通过自主开发的Xsorb程序筛选72种吸附构型发现：DMAEMA通过N-Si键形成≤-2.0eV强吸附，双键(N-Si+O-Si)构型可达-2.4eV；HEMA的OH-Si键仅-1.5eV，双键构型为-2.0eV。这解释了高压下HEMA润滑膜易失效的原因。

3.4 DLS粒径分析

温度从20℃升至80℃时，PLMA-b-PDMAEMA聚集体尺寸从512nm缩减至193nm，与摩擦系数下降趋势吻合。功能化基团促进的胶束结构在低温下阻碍表面接触，高温解离后加速润滑膜形成。

该研究首次通过实验与理论结合阐明功能基团化学特性对Si-DLC润滑性能的调控机制。胺基相较于羟基能形成更稳定的界面化学键，使PLMA-b-PDMAEMA在100N高载荷下仍保持优异性能。动态光散射揭示的温度响应行为，为润滑添加剂在电动汽车宽温域工况的应用提供设计依据。研究建立的吸附能分布分析方法，可推广至其他功能化聚合物/涂层体系的性能预测，对开发新一代环境友好型润滑系统具有重要指导价值。