不同分子结构聚酰亚胺固-液复合摩擦学行为与润滑机理研究

李 哲, 段春俭,*, 高传平, 张晟卯*, 张平余, 王廷梅, 王齐华

(1.河南大学 纳米材料工程研究中心, 河南 开封 475004;2.中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

润滑部件作为传动系统的核心，其性能的优劣很大程度上决定了国家科学技术的发展进程.面对高强度、高低温、高速度、强辐照以及长寿命润滑需求等日益严苛的使役工况，对润滑部件的性能设计提出更加严苛的要求[1–4].聚酰亚胺(PI)作为工程聚合物与塑料领域的佼佼者，以其优异的耐高低温性能、机械强度、化学稳定性和自润滑特性而被广泛用于自润滑复合材料的制备.其中，以聚酰亚胺为基体的多孔含油保持架材料已成功应用于我国航空航天等多个关键领域[5–7].近几年，关于聚酰亚胺自润滑材料与润滑油协同润滑的相关研究报道层出不穷，探究其自身结构与不同润滑油的协同润滑作用也一直是科技工作者重点关注的研究方向[8–12].

为满足空间固体自润滑涂层的长寿命润滑需求，科研人员结合固体润滑剂与液体润滑剂的彼此优势，提出一种长寿命润滑涂层或摩擦配副的设计方案—固-液复合润滑方式，即液体润滑剂的易磨损修复、低噪音以及一定的固体磨屑的转移能力和固体润滑涂层的低摩擦和耐磨损性能等优势相结合，以达到理想的润滑性能需求[13-14].聚酰亚胺多孔含油材料，既具备聚酰亚胺材料自润滑特性和液体润滑剂特点，而且其独特的芳香结构又赋予其优异的机械性能，是固-液复合润滑的典型应用实例，例如王廷梅等[15]通过向PI多孔材料中引入不同的液体润滑相，在外界热刺激响应作用下，实现了PI多孔材料连续供油润滑与磨损后的自修复功能.与此同时，聚合物与不同液体润滑剂的协同润滑也受到广泛的关注.例如Tatsumi等[16]研究了聚醚醚酮(PEEK)复合材料在聚α-烯烃(PAO)基础油润滑下的摩擦学性能，研究结果表明复合体系的摩擦学性能主要取决于聚合物种类.Lv等[17]研究了真空条件下PI与四种润滑油之间的协同润滑机理，进一步证实了润滑油的黏度对复合体系的摩擦学行为具有较大的影响.除此之外，Hu等[18]通过研究宽温域条件下不同结构聚酰亚胺的摩擦学性能，发现F与S原子引入到分子链中导致了聚酰亚胺的高摩擦磨损，主要归因于活性F与S原子的引入增强了聚酰亚胺的极性，加强了滑动界面的相互作用.上述文献研究结果表明，聚合物与润滑油的固-液复合体系的摩擦学性能不但取决于液体润滑剂本身的理化性能，而且与聚合物的分子结构密切相关.然而，以往关于聚合物与润滑油的复合润滑研究大多数集中于不同种类聚合物与液体润滑剂的匹配关系，极少涉及聚合物不同分子结构与润滑油之间的微观协同润滑作用，在一定程度上限制了聚合物与润滑油的应用设计与推广.

本文作者通过“两步法”设计合成了具有高强度以及耐高温的联苯型热固性聚酰亚胺(TPI).在此基础之上，以轴承保持架常用的商品化聚酰亚胺YS-20为对比样品，采用直接灌注液体润滑油的方式，系统探究了PI与润滑油复合体系摩擦学性能的变化，初步建立了不同PI分子结构与润滑油吸附膜的内在关联，为后期PI轴承保持架材料相关的应用设计提供一定的理论指导.

1 试验部分

1.1 试验材料及制备

直径为4 mm高碳铬轴承钢球购于上海钢球厂，具体性能参数列于表1中.YS-20购于上海树脂研究所，结构如图1(a)所示.3,3,4’,4’-联苯四甲酸二酐(s-BPDA)、4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)、3,4’-二氨基二苯醚(3,4’-ODA)和4-苯乙炔苯酐(4-PEPA)购于常州阳光药业股份有限公司，均为分析纯.甲苯和N-甲基吡咯烷酮(NMP)购于天津科密欧化学试剂有限公司.所用润滑油PAO10购于青岛中科润美润滑材料技术有限公司，其理化性能指标列于表2中.

表1 轴承钢球(GCr15)的性能参数Table 1 Performance parameters of bearing steel ball (GCr15)

表2 PAO10润滑油的理化性能指标Table 2 Physical and chemical properties of PAO10

采用两步法制备TPI整体材料.具体的模塑粉合成步骤如下：首先，将一定比例的4,4’-ODA和3,4’-ODA混合加入到1 000 ml圆底烧瓶中，在冰水浴中加入NMP使其完全溶解，分多次加入相应量的s-BPDA，机械搅拌反应12 h；其次，分多次加入一定量的4-PEPA对其进行封端处理，反应12 h即得封端的聚酰胺酸(PAA)溶液；随后按照一定体积比(NMP/甲苯=10/1)加入相应量的甲苯，170~180 ℃条件下回流24 h；最后，经过洗涤、抽滤以及干燥后得到淡黄色聚酰亚胺低聚物模塑粉，其分子结构如图1(b)所示.采用热模压成型的方式得到TPI整体材料，成型条件选择为0.3 GPa，380 ℃保压2 h.

1.2 试验条件选择以及表征

摩擦试验条件选择：由经典的Stribeck曲线分析可知，油润滑条件下摩擦润滑性能取决于摩擦副自身结构和润滑油特性[16].为探究不同结构聚酰亚胺与润滑油复合体系的摩擦学性能变化关系，对复合体系的润滑区间进行划分，得到的Stribeck曲线如图2所示，测试条件列于表3中，采用球-盘点接触的摩擦方式，旋转半径r=3.4 mm.

如图2所示，所选择的测试条件可以满足PAO10与不同PI结构的全区间润滑需求.结合图2和表3中载荷(P)及滑动速度(V)，确定摩擦测试条件分别为1 N-0.1 m/s (载荷为1 N，滑动速度为0.1 m/s，接近弹性流体润滑)和3.5 N-0.042 m/s (混合润滑)；为探究固-液复合体系润滑性能与PI结构之间的本质联系，选择3.5 N-0.042 m/s干摩擦与油润滑条件下的试验作对比.为进一步接近模拟传动部件的服役工况，采用球-盘旋转匀速模拟1次“启停”工况，采用球-盘往复变加速模拟多次“启停”工况，摩擦时间均为1 h.

表3 Stribeck曲线的具体参数选择Table 3 Experimental condition selection of stribeck curve

Fig.1 Molecular structure: (a) YS-20; (b) TPI oligomer图1 分子结构图：(a) YS-20；(b) TPI低聚物

Fig.2 Stribeck curves of TPI and YS-20 under PAO10图2 TPI与YS-20在PAO10润滑下的Stribeck曲线

采用UMT-5 (UMT-Tribolab, bruker)高温摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，利用全自动折叠光路接触角测量仪(DSA100, KRUSS)测试不同PI样品表面的接触角.与此同时，摩擦试验结束后采用三维形貌仪(Contour GT-K, bruker)和超景深三维光学显微镜(LYWN-YH，成都励扬精密机电有限公司)表征磨损前后的样品表面形貌.利用场发射扫描电子显微镜(Gemini SEM 500, Carl Zeiss)对样品微观磨损形貌分析，样品分析前对其表面进行喷金处理.玻璃化转变温度利用DMA242C型动态热机械分析仪(德国NETZSCH公司)测试，采用压缩模式，测试频率1 Hz，速率为5 ℃/min，测试温度范围30~400 ℃.采用万能试验机(岛津AGX，2 kN)研究了材料在常温且速率为5 mm/min条件下的力学性能，样品按GB 1040标准切割成骨型.

聚合物摩擦样品尺寸为18 mm×18 mm×2 mm.为减小聚合物表面粗糙度对摩擦数据的影响，分别采用2 000＃、3 000＃、5 000＃和7 000＃砂纸对其表面依次抛光处理，三维形貌如图3所示，粗糙度详细数值列于表3中.钢球与聚合物样品均用丙酮超声10 min以清洗污染物和油污待用.磨损率计算公式(1)如下所示：

式中：P代表载荷(N)，L代表摩擦距离(mm)， ∆V代表磨损体积.每组试验至少重复3次以上，最终的磨损率和摩擦系数为3次平均值.

微观分子结构理论模拟计算：首先，通过分子动力学模拟软件Materials Studio构建TPI和YS-20分子结构模型，利用DMol3模块分别对TPI和YS-20与润滑油极性相近的十二烷分子(Dodecane)进行几何结构优化，进而获取每个分子能量EPI和EDodecane；其次，在TPI和YS-20表面各放置1个十二烷分子进行吸附，获取每组系统总能量Etotal；最后，由体系的总能量与单个分子的差值计算得出TPI、YS-20与十二烷的吸附能∆Eadsorption.

2 结果与讨论

2.1 材料机械性能与热学性能对比

商业化YS-20与自己设计合成的热固性聚酰亚胺(TPI)热学性能和机械性能列于表4中，对比可知经过封端处理后并发生化学交联的TPI[19-20]玻璃化转变温度明显高于无化学交联的YS-20.然而，TPI的拉伸强度与断裂伸长率明显低于YS-20，相比之下末端交联之后的TPI柔韧性较差.

表4 TPI与YS-20的热学性能与机械性能Table 4 Thermal and mechanical properties of TPI and YS-20

Fig.3 Three-dimensional morphology of materials treated by the same method: (a) TPI; (b) YS-20图3 材料经过相同方法处理之后的表面三维形貌图：(a) TPI；(b) YS-20

2.2 摩擦磨损性能分析

固-液复合润滑过程中，边界膜形成可以有效避免或减轻摩擦副的直接接触，从而起到抗磨减摩的效果.边界膜又分为物理吸附膜和摩擦化学反应膜.为探究不同结构PI与润滑油在混合润滑区间的吸附膜形成速率，选择1次“启停”阶段的摩擦试验作为研究对象.选取球-盘旋转模式，摩擦试验条件为3.5 N-0.042 m/s.试验之前对PI表面进行润滑油的预润湿，以保证其在摩擦过程中完全浸入，无“乏油”情况的出现.如图4(a)和图4(a1)所示，TPI与PAO10的跑合时间较短，约为30 s，最大静摩擦系数为0.066.相比之下，YS-20与PAO10的跑合时间较长，约为500 s，最大静摩擦系数约为0.071.两者的平均摩擦系数结果如图4(b)所示，平稳阶段YS-20与PAO10的平均摩擦系数大于TPI.依据上述数据，分析推断TPI与PAO10在跑合过程中易形成一定承载强度的快响应吸附膜，从而明显缩短两者的跑合时间，最终减小了复合体系的摩擦系数；与之相反，YS-20与PAO10的相互作用力较弱，形成稳定的吸附膜所需时间较长，故而需要较长的跑合时间.

大量文献已证实高性能边界膜的形成可以减缓、甚至延长摩擦副的使用寿命.因此，对钢球表面的边界膜形貌进行表征分析.如图5所示，在油润滑条件下TPI和YS-20与钢球的犁削作用导致钢球表面出现了轻微的划痕[图5(a~b)]，难以观察到大面积摩擦化学反应膜的形成.由此推断，一方面润滑油的冲刷作用阻止了钢球表面化学反应膜的形成；另一方面，润滑油可以吸收摩擦界面部分的摩擦热量，从而降低了聚合物或自由链段与钢球表面摩擦化学反应的可能性.因此，混合润滑区间两种PI的润滑机理主要为物理吸附作用.三维形貌分析结果如图5(a3)和图5(b3)白色箭头所示，可以看出油润滑条件下的TPI表面的磨痕轨迹较浅，此结果也间接证明了摩擦条件选择的合理性.虽然无法准确测量并分析其磨损率，但是YS-20的磨痕深度比TPI更加明显.这也进一步验证了上述的推断，YS-20与PAO10之间存在比较弱的物理吸附作用，致使摩擦过程中表面更多的凸起与钢球表面直接接触，进而增大了其磨损率.不同结构PI磨损表面微观形貌的SEM照片结果表明，TPI在摩擦过程中出现了大量的磨屑剥离并脱落[图6(a)]，最终伴有少许裂纹的出现，其主要磨损机理为疲劳磨损；而YS-20磨损表面发生了较大的塑性变形，只有少量的磨屑脱落[图6(b)]，这也是YS-20磨痕较TPI明显的主要原因.上述结果表明运动部件的磨损更多发生在启-停阶段，减小运动部件混合润滑区域的摩擦系数可以有效减缓摩擦副的磨损.因此，提升摩擦表面吸附膜的响应速度与边界摩擦化学反应膜的构筑能力对于延长传动部件的使用寿命至关重要[6].

Fig.4 Frictional properties of TPI and YS-20 in ball-disk mode: (a) friction curves; (a1) friction curve at the running-in stage[enlarged view of the blue region in figure (a)]; (b) average friction coefficient during the stationary phase图4 TPI和YS-20球-盘模式下的摩擦性能：(a)摩擦曲线；(a1)跑合阶段的摩擦曲线[图(a)蓝色区域部分的放大图]；(b)平稳阶段平均摩擦系数

Fig.5 Optical micromorphology of the steel ball surface and the three-dimensional morphology of the friction and wear surface of polymer under the rotation mode of 3.5 N-0.042 m/s: (a1) polyimide; (a2~a3) TPI; (b1~b3) YS-20图5 在3.5 N-0.042 m/s旋转模式下钢球表光学显微形貌与聚合物摩擦磨损表面三维形貌：(a1)聚酰亚胺；(a2~a3) TPI；(b1~b3) YS-20

Fig.6 SEM micrographs of worn surface of polyimide in rotation mode of 3.5 N-0.042 m/s: (a) TPI; (b) YS-20图6 聚酰亚胺在球-盘旋转模式3.5 N-0.042 m/s条件下磨损表面的SEM照片：(a) TPI；(b) YS-20

多次“启停”更加接近实际工况，选用相同的摩擦试验条件3.5 N-0.042 m/s，考察了两种结构PI在球-盘往复模式下的摩擦磨损性能.为做进一步的分析对比，分别研究了两种结构PI在干摩擦条件的摩擦学性能(图7).如图7(a~b)所示，同一种PI在不同润滑状态的摩擦系数大小顺序依次为干摩擦>混合润滑状态>弹流润滑状态，这一结果也符合Stribeck曲线的摩擦系数大小变化.通过分析油润滑下摩擦系数曲线随时间变化规律，发现摩擦系数较为平稳，且无明显波动，表明润滑油的存在明显缩短了摩擦副的整体跑合时间.除此之外，干摩擦条件下的TPI平均摩擦系数(0.385)比YS-20 (0.115)较大，主要归因于TPI表面分子链间的化学交联结构，增大了摩擦表面分子链间的抗剪切作用[11].与此同时，对相同结构PI在不同润滑区间的平均摩擦系数进行统计，结果如图7(c)所示.相比干摩擦工况，PAO10润滑下TPI的平均摩擦系数(0.064)和YS-20的平均摩擦系数(0.039)明显降低，降低幅度分别为83.35%和65.98%.此外，TPI与YS-20在不同润滑区间的摩擦系数变化程度也不相同.TPI的平均摩擦系数从3.5 N-0.042 m/s条件下的0.064降低至1 N-0.1 m/s条件下的0.049，降幅约为23.44%.然而，YS-20的平均摩擦系数从3.5 N-0.042 m/s条件下的0.039降至1 N-0.1 m/s条件下的0.017，降低比例高达56.41%.关于摩擦副弹流区域的润滑性能决定因素，大量文献报道称其取决于润滑油的黏度，即润滑油的内摩擦消耗[23].因此，时至今日才有国际范围内追求低黏度润滑油的行业发展趋势.倘若上述论述成立，弹流润滑区域TPI与YS-20的摩擦系数应该相同或接近.然而，试验结果却和推测相差甚远.因此，认为上述结论只能适合相同或接近的金属配副材料，在本试验中使用不同摩擦配副，且两者性能相差较大，可能是聚合物摩擦副与润滑油之间的吸附作用导致了弹流润滑区域下摩擦系数的不同.

Fig.7 Changes of friction coefficient and wear rate of materials under different conditions: (a) TPI; (b) YS-20;(c) average friction coefficient; (d) wear rate图7 材料在不同条件下摩擦系数及磨损率变化：(a) TPI；(b) YS-20；(c)平均摩擦系数；(d)磨损率

此外，不同润滑区间的PI磨损率统计如图7(d)所示.由于处于弹流润滑区间的摩擦副材料磨损较小，几乎为零，可以忽略不计(参考上述图5磨损表面三维形貌)，这一情况也符合弹流润滑区域的基本特点[24-25].因此，对不同结构PI在干摩擦和混合润滑区域多次“启停”的磨损性能，可以发现TPI的磨损率从2.88×10−7降至0.64×10−7mm3/(N·m) (降低77.78%)，而YS-20磨损率从1.07×10−7降至0.83×10−7mm3/(N·m) (降低22.43%).上述结果表明，PAO10润滑条件下TPI的耐磨性能明显优于YS-20，间接证明TPI中的交联结构有助于提高PI润滑油复合体系的抗磨性能.这一现象与干摩擦条件下的磨损率变化趋势相反，TPI在干摩擦条件下的耐磨性能明显低于YS-20，主要归因于TPI表面分子链间强交联作用导致分子层间不易剪切，往复应力的驱使导致材料表面的破坏[26].结合前期的试验结果推断，TPI在油润滑下耐磨性能优于YS-20，主要与TPI形成的交联苯环结构有关，该结构增强了表面与润滑油之间的吸附作用，易形成润滑油膜进而保护TPI基体，避免基体与摩擦副的直接接触.

为更好地判断PI结构与复合体系润滑性能的本质联系，对多次“启-停”摩擦之后的钢球表面光学形貌以及PI磨损表面形貌的SEM照片进行对比分析，结果分别如图8与图9所示.通过对比钢球表面光镜形貌，发现TPI相对摩擦钢球表面几乎没有转移膜[图8(a1)]，YS-20相对摩擦钢球表面形成了1层较厚的聚合物转移膜[图8(b1)]；TPI磨损表面出现大量的磨屑且发生严重的磨粒磨损[图9(a1)]，而YS-20表面磨屑较少且塑性变形较为轻微，相对比较光滑[图9(b1)]，这也是YS-20在干摩擦下的磨损率小于TPI的原因.在3.5 N-0.042 m/s油润条件下，TPI与YS-20在钢球表面均形成了1层薄而均匀的转移膜[图8(a2, b2)]，而且TPI磨损表面整体较为光滑，出现较大的凹坑[图9(a2)]；YS-20磨损表面较为粗糙且表面磨屑较少，也伴有微凹坑的存在[图9(a2)]，说明两种聚合物表面主要的磨损机理为疲劳磨损.上述磨损现象更好的解释了3.5 N-0.042 m/s油润滑条件下TPI与YS-20磨损率的变化关系.对比一次“启-停”的工况，经历多次“启-停”之后，PAO10油润滑下的钢球表面形成了1层摩擦化学反应膜，也验证了YS-20与TPI在混合润滑区域的磨损主要发生在跑合阶段.在1 N-0.1 m/s条件的油润滑下 (接近流体润滑区域)，YS-20相对摩擦钢球表面几乎没有转移膜的形成，TPI相对摩擦钢球表面存在一定的磨屑堆积和转移膜形成[图8(a3, b3)].分析原因，一方面，多次“启停”工况引起的摩擦副润滑状态的改变；另一方面归因于TPI与YS-20的机械性能差异.

Fig.8 The surface optical morphologies of TPI and YS-20 under different conditions: (a1, b1) dry friction conditions; (a2, b2) 3.5 N-0.042 m /s; (a3, b3) 1 N-0.1 m/s图8 TPI和YS-20在不同条件下的钢球表面光学形貌：(a1, b1)干摩擦条件；(a2, b2) 3.5 N-0.042 m/s；(a3, b3) 1 N-0.1 m/s

Fig.9 SEM micrographs of polyimide wear surface at 3.5 N-0.042 m/s in reciprocating mode: (a1, b1) dry friction; (a2, b2) oil lubrication图9 聚酰亚胺在往复模式3.5 N-0.042 m/s条件下磨损表面的SEM照片：(a1, b1)干摩擦；(a2, b2)油润滑

2.3 PAO10在PI表面的润湿铺展行为

由托马斯·杨(Thomas Young)和修正后的Wenzel和Cassie-Baxter方程得知液体在固体表面的润湿行为不仅和表面粗糙度有关，而且与固体表面能，即其表面本征属性、化学元素组成与分子结构之间有着密切联系[27-28].基于上述分析，对两者不同结构的PI材料表面进行润滑油接触角测试，并对表面润湿行为进行分析.为探究PAO10在不同结构PI表面的润湿铺展行为，本试验采用接触角测量仪进行分析.在此过程中，为准确判断不同结构对PAO10润滑油铺展行为影响，采用每次滴加体积为5 μl，定时对界面的铺展行为进行抓拍，进而对其铺展速率进行定量分析.

如图10所示，润滑油与PI的接触角明显小于90°，证明其表面可以被PAO10润湿[29].除此之外，相同时间间隔PAO10在TPI表面的铺展速度要快于YS-20，说明PAO10更易在TPI表面铺展.图11所示为润滑油PAO10结构与其在不同PI结构表面铺展速率对比图.为更进一步准确描述PAO10在不同结构PI表面的铺展速率，以初始润滑油在材料表面的铺展长度为基准，求取不同时间段的铺展速率，结果如图11(b)所示.由图11(b)拟合的曲线斜率变化可知，PAO10在TPI表面铺展速度较快，更易在其表面铺展，间接说明TPI比YS-20更易吸附润滑油.忽略表面粗糙度的影响，从微观化学结构分析，PAO10是一类合成基础油，其主要结构为饱和烷基链段，极性相对较弱[图11(a)].PI分子链有较多的、具有一定极性的“-CO-N-CO-”结构，但整体分子链极性较弱，有利于润滑油在其表面润湿并铺展.然而，TPI低聚物与YS-20经过热模压成型工艺，最终形成的表面微观结构略显不同.YS-20结构为4,4’-氧双邻苯二甲酸酐(4,4’-ODPA)与4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)的缩聚脱水产物，TPI低聚物为3,3’，4,4’-联苯四甲酸二酐(s-BPDA)与4,4’-ODA等组成的主要结构.除此之外，在分子设计过程中，对TPI的低聚物进行4-PEPA的封端处理，经过热模压工艺PEPA中的“-C≡C-”官能团形成有效的苯环交联[详细结构如图12(a)中蓝色苯环结构所示]，一定程度上提升了PAO10在其表面的润湿行为与铺展速率.

Fig.10 Image capture of PAO10 spreading behavior on surface of PI after polishing: (a) TPI; (b) YS-20图10 PAO10在PI抛光后表面的铺展行为抓拍图片：(a) TPI；(b) YS-20

Fig.11 (a) PAO10 structure; (b) comparison of PAO10 structure and its spreading rate on different PI structure surfaces图11 (a) PAO10结构；(b) PAO10结构与其在不同PI结构表面铺展速率对比图

为进一步量化两种PI与润滑油之间的吸附作用，采用第一性原理计算了润滑油与不同结构的PI结构表面的吸附能.计算过程中，采用极性相近的十二烷[图12(b)]代替PAO10，同时选择3个重复单元YS-20与3个TPI低聚物化学交联的大分子作为吸附对象.吸附之后的两者空间分布如图13所示，测量可知TPI、YS-20与十二烷分子主要作用原子间距处于3~5 Å之间，分子链间的主要作用力为范德华力.进一步计算了两者不同的吸附能∆Eadsorption，TPI为−32.30 kJ/mol，YS-20为−20.92 kJ/mol.其中，吸附能的正负表示吸附是否能自发进行，绝对值越大表明其吸附自发进行的可能性越大，吸附能力更强.上述结果证明PAO10与PI均能自发进行吸附，TPI与其发生物理吸附作用更强.结合图10的不同结构PI表面润滑油的铺展速率，相比于YS-20，TPI更易与PAO10吸附，并易形成吸附膜，这一结果也进一步验证了空间化学交联结构增强了TPI与润滑油的物理吸附作用，从而提高了TPI在PAO10润滑下的抗磨减摩性能.

Fig.12 (a) Crosslinked benzene ring structure of TPI (Blue is the crosslinked benzene ring structure); (b) dodecane molecular structure;图12 (a) TPI交联苯环结构(蓝色为形成的交联苯环结构)； (b)十二烷分子结构

Fig.13 (a) Adsorption system of TPI and PAO10; (b) adsorption system of YS-20 and PAO10图13 (a) TPI与PAO10吸附体系；(b) YS-20与PAO10吸附体系

在固-液复合摩擦过程中，摩擦界面接触凸起经过短暂的跑合，固-液界面逐渐接替起始阶段的固-固界面，低黏度润滑油减少了摩擦配副的直接接触，从而降低了体系的摩擦系数.同时，流体动压分担了部分载荷，减小了摩擦副的接触应力，从而提高了耐磨损性能.关于润滑油在摩擦界面上的抗磨减摩机理，前期已有大量的文献对此进行了报道[30-31].然而，涉及不同结构PI与PAO10复合体系的润滑协同机理本质却鲜有报道.结合上述的试验结果，PI较低的固体表面能赋予了基础油PAO10在其表面良好的润湿性并形成铺展.当PAO10在PI表面完全铺展之后的摩擦学性能变化主要取决于固-液界面的物理化学相互作用，作者认为此部分变化与基础油和不同PI结构之间的静态物理吸附作用以及摩擦过程中的动态化学吸附作用有关.相比于YS-20，TPI起初更易与PAO10铺展并产生较强的吸附作用，形成有效的边界吸附膜，进而起到润滑作用，在一定程度提高了TPI与基础油复合体系的抗磨减摩性能.

3 结论

设计合成了更高耐温等级的热固性聚酰亚胺(TPI)，并与商业化的YS-20进行性能对比.在此基础之上，对比考察了两种PI与基础油PAO10复合体系的摩擦学行为，重点探究了不同PI分子结构对两者复合体系润滑性能的影响机制，并结合分子动力学模拟方法，对两者复合体系的润滑作用机理做出了进一步的理论验证.所得结论如下：

a.PAO10基础油在PI表面具有良好的润湿性能并能形成铺展.相比干摩擦条件，油润滑作用下的TPI与YS-20均表现出了极低的摩擦系数和磨损率，而TPI与PAO10复合体系的润滑性能更好.

b.具有化学交联结构的TPI更易被PAO10润湿并在其表面快速铺展，结合分子动力学模拟结果，相比于YS-20，TPI与PAO10的物理吸附作用更强，更易形成高承载的边界吸附膜，从而提高了两者复合体系的摩擦学性能.