離子液體潤滑碳刷／集電環(huán)載流摩擦學(xué)特性及其適配度研究*

秦紅玲 高夢夢 賈 磊 易靜雯 趙新澤 徐 翔

（1. 三峽大學(xué)水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北宜昌 443002；2. 三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院 湖北宜昌 443002； 3. 西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 陜西西安 710048； 4. 長江電力檢修廠 湖北宜昌 443002）

碳刷／集電環(huán)裝置是水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁電流的通道， 由多個(gè)并聯(lián)固定在導(dǎo)電環(huán)上的碳刷與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件集電環(huán)接觸， 實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的持續(xù)傳輸［1］。 多年來， 葛洲壩電站和三峽電站在定期巡檢中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組碳刷／集電環(huán)裝置出現(xiàn)碳刷過熱、 打火甚至環(huán)火現(xiàn)象， 因其導(dǎo)致的機(jī)組停運(yùn)和臨時(shí)消缺時(shí)有發(fā)生， 已成為影響機(jī)組正常運(yùn)行的頑疾之一［2-3］。 深入研究發(fā)現(xiàn)， 導(dǎo)致該類問題的原因主要在于界面接觸狀態(tài)發(fā)生變化而使電流在多碳刷之間動(dòng)態(tài)調(diào)整［4］。 如何改善界面的接觸穩(wěn)定性， 減少甚至杜絕碳刷過熱、 打火等問題是包括葛洲壩、 三峽電站在內(nèi)所有的大中小型水輪發(fā)電機(jī)組目前所面臨的急需解決的問題之一，也一直是工程界和學(xué)術(shù)界所關(guān)注的焦點(diǎn)。

為了改善水輪發(fā)電機(jī)組碳刷／集電環(huán)裝置的界面接觸狀態(tài)， 研究者從碳刷與集電環(huán)材料的適配性［5］，碳刷刷尾彈簧參數(shù)優(yōu)化［6］， 碳刷與集電環(huán)表面織構(gòu)［7］等方面做了很多有益的探索。 潤滑作為改善界面接觸狀態(tài)最有效的手段之一， 也被應(yīng)用在載流系統(tǒng)中。 NO?L 等［8］將潤滑脂應(yīng)用于金屬摩擦副， 結(jié)果顯示潤滑脂可減少觸頭之間的摩擦磨損， 從而延長觸頭的壽命。 FU 等［9］將導(dǎo)電潤滑脂和離子液體應(yīng)用于碳刷／集電環(huán)裝置， 結(jié)果顯示離子液體在降低摩擦因數(shù)和接觸電阻、 改善載流穩(wěn)定性方面， 效果比導(dǎo)電潤滑脂更顯著。 另外， 離子液體本身具有不易揮發(fā)、 良好的熱氧化穩(wěn)定性、 導(dǎo)電性、 寬的電化學(xué)窗口等優(yōu)異性能［10-11］， 在改善碳刷／集電環(huán)組件界面接觸狀態(tài)方面顯示出可能性和優(yōu)越性。 為此， 本文作者進(jìn)一步探討離子液體作為碳刷／集電環(huán)組件潤滑劑的適配性、 可靠性以及相關(guān)作用機(jī)制， 以期為離子液體潤滑碳刷／集電環(huán)組件時(shí)的選型、 運(yùn)行維護(hù)及壽命預(yù)測提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

離子液體作為一種載流摩擦副的潤滑介質(zhì)也引起了很多學(xué)者的關(guān)注， 但主要研究都集中在咪唑類離子液體方面。 如， 楊貴榮等［12］選取1-甲基-3-己基咪唑六氟磷酸鹽離子液體用于載流摩擦中， 結(jié)果顯示該離子液體可以有效阻止鋁／鋁配副黏著的發(fā)生， 并抑制電弧放電。 CAO 等［13］發(fā)現(xiàn)1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽可以降低接觸電阻和摩擦因數(shù)， 提高界面接觸穩(wěn)定性。HUANG 等［14］發(fā)現(xiàn)1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體在低載荷下的潤滑效果更顯著。 KONG 等［15］發(fā)現(xiàn)電場對咪唑類烷基側(cè)鏈較短的離子液體摩擦性能的影響更為明顯， 主要是因?yàn)檩^長的烷基側(cè)鏈離子液體可以形成更加有序和致密的邊界膜。 DOLD、 曾俊菱等［16-17］也對咪唑類離子液體進(jìn)行了研究， 得到了類似的結(jié)論。

事實(shí)上， 離子液體種類很多， 主要分為咪唑型、功能化型、 吡啶型、 哌啶型、 吡咯烷型、 季膦型和季銨型等。 陳國慶、 劉旭慶等［18-19］曾嘗試將季膦類離子液體作為潤滑劑進(jìn)行摩擦學(xué)性能研究， 但他們只研究了非載流條件下的摩擦學(xué)性能。 WENG 等［20］對吡啶陽離子液體進(jìn)行了研究， 結(jié)果顯示該系列化合物對鋼腐蝕嚴(yán)重， 不能作為良好的潤滑劑。

基于上述研究結(jié)果及其他研究者對離子液體潤滑劑摩擦學(xué)性能的綜述分析［21-23］， 本文作者選取了最具可能性三類離子液體， 包括咪唑類、 功能化類和季膦類； 然后根據(jù)離子液體的理化性質(zhì)， 從疏水性、 黏度和導(dǎo)電率3 個(gè)方面評估選取離子液體的具體型號；最終采用1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（咪唑類［OMIM］PF6）、 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（咪唑類［BMIM］PF6）、 1-羧甲基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽（功能化［H02CMMIm］NTf2）、 三丁基乙基膦雙三氟甲磺酰亞胺鹽（季膦類［P2444］NTf2） 等4種離子液體作為導(dǎo)電潤滑劑對碳刷／集電環(huán)進(jìn)行潤滑試驗(yàn)。 文中首先研究不同烷基側(cè)鏈的咪唑類離子液體的載流摩擦學(xué)性能， 選出性能較好的咪唑類離子液體， 再與其他兩類離子液體進(jìn)行碳刷／集電環(huán)適配性試驗(yàn)， 通過摩擦因數(shù)（COF）、 接觸電阻（ECR） 等指標(biāo)來評價(jià)離子液體的潤滑性能， 通過對磨損表面的表征和分析， 探究其導(dǎo)電和潤滑機(jī)制。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)某大型水電站水輪發(fā)電機(jī)組碳刷／集電環(huán)配副方式和工況條件進(jìn)行相似性試驗(yàn)設(shè)計(jì)。 因碳刷／集電環(huán)配副方式為面／面接觸， 故采用銷-盤試驗(yàn)法。 銷選用集電環(huán)的常用材料45 鋼， 規(guī)格為5 mm×5 mm×16 mm。為了改善接觸狀態(tài)， 銷端部加工成5 mm 的球狀。 盤試樣來源于該水電站機(jī)組在役碳刷E468e， 加工后的尺寸為38 mm×34 mm×5 mm。 上述4 類離子液體由上海成捷化學(xué)公司提供， 其中2 種咪唑類離子液體理化性能如表1 所示。

1.2 載流摩擦學(xué)試驗(yàn)

采用MS-M9000 多功能摩擦試驗(yàn)儀（蘭州華匯儀器科技有限公司生產(chǎn)） 對載流摩擦條件下潤滑劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)， 摩擦學(xué)試驗(yàn)均在同一電流方向下進(jìn)行， 即上試樣鋼銷為正極， 下試樣盤為負(fù)極。圖1 所示為離子液體潤滑碳刷／集電環(huán)載流摩擦試驗(yàn)原理圖。 直流電源可以提供穩(wěn)定的電壓， 鋼銷與下部碳刷盤相對運(yùn)動(dòng)， 轉(zhuǎn)速為120 rad／min。 試驗(yàn)在電壓2.5 V、 載荷2 N 下比較了不同烷基側(cè)鏈的咪唑類離子液體的摩擦學(xué)性能， 在電壓2.5 V、 載荷2 和10 N下研究了咪唑類、 功能化類和季膦類3 種離子液體與碳刷／集電環(huán)的適配性。 其中低載（2 N） 的條件比較溫和， 僅用于初步評價(jià)； 高載（10 N） 條件下的潤滑性與耐磨壽命則反映了離子液體作為電接觸潤滑劑的潛力。 每次試驗(yàn)前， 鋼銷用丙酮超聲清洗10 min，碳刷盤用1000＃砂紙打磨后用無水乙醇清洗5 min。

圖1 在外加電壓下離子液體潤滑碳刷-集電環(huán)試驗(yàn)示意和蒸發(fā)溶劑法制備薄膜Fig.1 Schematic of ionic liquids lubrication carbon brush-collector ring under applied voltage and the preparation of thin films are prepared by evaporation solvent method

試驗(yàn)過程中， 接觸電流和摩擦因數(shù)由測試儀自動(dòng)記錄； 待接觸電流穩(wěn)定后， 根據(jù)歐姆定律計(jì)算出接觸電阻值（ECR）。

式中：X表示平均值；xi表示根據(jù)采樣頻率所測的瞬時(shí)值；n表示采樣個(gè)數(shù)。

引入ECR 的標(biāo)準(zhǔn)差 （SD） 和COF 標(biāo)準(zhǔn)差（SD）［24］， 來評價(jià)摩擦界面的接觸穩(wěn)定性， 并進(jìn)行壽命分析。 接觸電阻和摩擦因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差（SD） 為

溶劑蒸發(fā)法是一種常用的電接觸潤滑劑薄膜制備方法， 即含潤滑劑的揮發(fā)性溶劑為潤滑劑源， 將待用工件浸泡于上述溶液中， 隨后取出， 待溶劑揮發(fā)后即可使用［25-26］。 常用的揮發(fā)性溶劑有三氯甲烷、 丙酮、乙醇等。 文中以離子液體和乙醇溶液為離子液體源，將碳刷浸泡其中， 隨后取出碳刷， 在乙醇蒸發(fā)的過程中， 碳刷表面會形成一些獨(dú)特微結(jié)構(gòu)的離子液體薄膜， 制備方法如圖1 所示。

1.3 摩擦表面表征

摩擦試驗(yàn)結(jié)束后， 將碳刷在無水乙醇中超聲清洗3 min， 采用美國NANOVEA 公司生產(chǎn)的ST4003D 三維表面形貌儀測量碳刷表面的磨損深度， 采用JSM-5600LV 掃描電鏡（SEM） 觀察碳刷表面微觀結(jié)構(gòu)，使用EDS 能譜儀觀察磨損前后碳刷表面元素變化，進(jìn)而分析其磨損機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同烷基側(cè)鏈長度的咪唑類離子液體的潤滑性能及其與碳刷／集電環(huán)適配性比較

圖2 所示為在速度120 rad／min、 電壓2.5 V、 載荷2 N 試驗(yàn)條件下， 測得的COF 和ECR 隨時(shí)間的變化趨勢， 以及不同潤滑條件下ECR 的SD 值、 碳刷盤的磨損深度。 從圖2 （a） 可見， COF 總體上隨著時(shí)間的延長先減小后又增大， 主要原因在于： 試驗(yàn)開始時(shí)處于磨合期， 故摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的延長迅速減?。?但隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長， 摩擦表面溫度升高， 離子液體黏度降低， 潤滑膜變薄， 甚至被擠出接觸區(qū)，故摩擦因數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)且有增大的趨勢［27］。 干摩擦情況下COF 約穩(wěn)定在0.04。 ［BMIM］PF6潤滑情況下的COF 在開始的30 min 內(nèi)低于干摩擦狀態(tài)， 在30 min后由于離子液體被推出摩擦界面而又與干摩擦?xí)r接近， 這表明［BMIM］PF6形成的潤滑薄膜很容易被消耗。 ［OMIM］PF6潤滑情況下的COF 在30 min 后開始緩慢上升， 最低摩擦因數(shù)約為0.01， 是干摩擦?xí)r的1／4。 可見， ［OMIM］PF6的減摩性能更好， 原因在于［OMIM］PF6黏度較大（見表1）， 而高黏度的離子液體有利于潤滑膜的形成， 避免摩擦表面之間的直接接觸， 表現(xiàn)出較低的摩擦因數(shù)［28］。

圖2 干摩擦、 ［OMIM］PF6 和［BMIM］PF6 潤滑下COF 隨時(shí)間變化（a）， ECR 的SD 值（b），磨損深度（c）， ECR 隨時(shí)間變化（ （d） — （f） ） （電壓2.5 V ， 載荷2 N）Fig.2 COF as a function of time （a）， SD values of ECR （b）， wear depth （c）， ECR as a function of time （ （d） — （f） ） under drying and lubricated by ［OMIM］PF6 and ［BMIM］PF6 （voltage 2.5 V and load 2 N）

圖2 （d） — （f） 所示為不同潤滑條件下ECR隨時(shí)間的變化趨勢。 可見， 在試驗(yàn)前期ECR 數(shù)值穩(wěn)定， 30 min 后［BMIM］PF6潤滑下的ECR 出現(xiàn)明顯波動(dòng)， 故將整個(gè)運(yùn)行過程分為2 個(gè)階段進(jìn)行分析： 前30 min 為離子液體充足潤滑的階段， 后30 min 為離子液體逐漸被消耗的階段。 充足潤滑階段， ［BMIM］PF6潤滑下的ECR 約為400 mΩ （見圖2 （e） ）， 比干摩擦狀態(tài)（500 mΩ） 下低20%； ［OMIM］PF6潤滑下的ECR 約為350 mΩ （見圖2 （f） ）， 比干摩擦狀態(tài)下低30%。 在后30 min， ［BMIM］PF6潤滑下的ECR 波動(dòng)較大（見圖2 （e） ）， 反映出離子液體正被快速消耗； ［OMIM］PF6潤滑下的ECR 也開始波動(dòng)， 只是幅度較小。 這與摩擦因數(shù)的測量結(jié)果一致。 可見， 在充足潤滑情況下該類離子液體都達(dá)到了降低接觸電阻的效果， 且SD 值都低于干摩擦（見圖2 （b））， 這表明該類離子液體可以降低接觸電阻， 提高載流穩(wěn)定性。

圖3 和圖4 所示分別為鋼銷和碳刷盤磨損表面的SEM 圖像。 干摩擦?xí)r銷表面雖只有墨痕和碳粉的附著（見圖3 （a） ）， 但碳刷盤表面有很深的磨痕（見圖4 （a） ）， 且磨痕深度達(dá)到24 μm （見圖2 （c））， 表明干摩擦下以犁切和磨粒磨損為主。［BMIM］PF6潤滑下鋼銷表面有較強(qiáng)的黏著（見圖3 （b））， 碳刷盤表面也有明顯犁溝和少量的黏著（見圖4 （b） ）， 且磨痕的深度也達(dá)到20 μm （見圖2 （c） ）， 這表明［BMIM］PF6潤滑下表面也發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移和黏著磨損。 ［OMIM］PF6潤滑下鋼銷表面只有輕微復(fù)合薄膜附著（見圖3 （c） ）， 且碳刷盤表面較光滑， 磨痕較淺（見圖4 （c） ）， 磨痕深度僅14 μm （見圖2 （c） ）， 這表明［OMIM］PF6潤滑下可以減少犁切， 顯示出出色的抗磨能力。 可見， 烷基鏈較長的［OMIM］PF6離子液體的潤滑效果更好。 與文獻(xiàn)［29-31］中提到的增加陽離子烷基鏈長可以大幅度改善接觸潤滑性能的結(jié)論一致。

圖3 不同離子液體潤滑下鋼銷磨損表面形貌（電壓2.5 V ， 載荷2 N）Fig.3 SEM morphologies of the worn surfaces of steel pin lubricated by different ionic liquids （voltage 2.5 V and load 2 N）： （a） drying； （b） lubricated by ［BMIM］PF6； （c） lubricated by ［OMIM］PF6

圖4 干摩擦、 不同離子液體潤滑下碳刷盤磨損表面形貌（電壓2.5 V ， 載荷2 N）：（a1-3） 干摩擦； （b1-3） ［BMIM］PF6 潤滑； （c1-3） ［OMIM］PF6 潤滑F(xiàn)ig.4 SEM morphologies of the worn surfaces of carbon brush discs under drying and lubricated by different ionic liquids （voltage 2.5 V and load 2 N）： （a1-3） drying； （b1-3） lubricated by ［BMIM］PF6； （c1-3） lubricated by ［OMIM］PF6

為進(jìn)一步分析具有不同烷基側(cè)鏈長度的咪唑類離子液體的減摩抗磨作用機(jī)制， 用能譜儀檢測碳刷表面元素分布和材料遷移情況， 如圖5 所示。 干摩擦條件下除檢測到大量C 元素外， 還檢測到少量的Fe、 O元素， 說明在犁切過程中發(fā)生了Fe 的黏著轉(zhuǎn)移和氧化。 而離子液體潤滑下碳刷表面除了含有C 元素還含有P、 F、 O 等元素， 并沒有Fe 元素， 說明離子液體可以形成很好的物理吸附膜， 保護(hù)摩擦表面。 同時(shí)也間接說明離子液體并未與銷試樣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 該兩類離子液體并沒有腐蝕作用。

圖5 干摩擦、 不同離子液體潤滑下碳刷盤磨損表面的能譜圖Fig.5 EDS spectra of the carbon brush worn surfaces under drying and lubricated by different ionic liquids： （a） drying； （b） lubricated by ［BMIM］PF6； （c） lubricated by ［OMIM］PF6

另外， ［OMIM］PF6潤滑下ECR、 COF 及其SD值均小于［BMIM］PF6潤滑下的相應(yīng)值（見圖2）。 原因在于［BMIM］PF6的導(dǎo)電率較?。ㄒ姳?）， 影響了電流在摩擦界面之間的傳輸； 且其黏度較小， 很容易被推出摩擦界面， 而使?jié)櫥し植疾痪?從而使載流電流出現(xiàn)波動(dòng)， 載流穩(wěn)定性降低。 相比較而言， ［OMIM］PF6潤滑下的載流穩(wěn)定性更好， 更適合于碳刷／集電環(huán)的潤滑。 更深層次的原因在于，［BMIM］PF6的烷基側(cè)鏈較短， 而較短的烷基側(cè)鏈不靈活， 堆積在結(jié)構(gòu)層中， 無法形成良好的潤滑膜。 相反， ［OMIM］PF6的烷基側(cè)鏈較長， 具有更好的分子柔韌性， 可增強(qiáng)陽離子之間的強(qiáng)黏結(jié)作用， 從而使界面吸附離子能力增強(qiáng)， 形成更加有序和致密的邊界膜［31］， 顯著降低滑動(dòng)過程中的摩擦磨損。 因此， 在設(shè)計(jì)合成離子液體潤滑劑時(shí)， 增加鏈長有利于改善其潤滑性能。

2.2 3 類離子液體潤滑性能及其與碳刷／集電環(huán)適配性比較

在速度120 rad／min、 電壓2.5 V、 載荷2 N 條件下， 進(jìn)行咪唑類、 季膦類、 功能化等3 類離子液體載流摩擦試驗(yàn)， 測得的COF 隨時(shí)間的變化趨勢， 以及不同潤滑條件下ECR 的SD 值、 碳刷盤的磨損深度如圖6 所示。 從圖6 （a） 可看出， 同樣地， 4 種潤滑條件下COF 總體上隨著時(shí)間的延長先減小后又增大；試驗(yàn)前期， 干摩擦狀態(tài)下COF 較大， 60 min 后隨著［HO2CMMIm］NTf2、 ［P2444］NTf2潤滑下摩擦因數(shù)的增大， 三者逐漸持平； ［OMIM］PF6潤滑下的COF 始終最低。

圖6 干摩擦、 不同離子液體潤滑下COF 隨時(shí)間變化（a）， ECR 的SD 值（b）， 磨損深度（c） （電壓2.5 V ， 載荷2 N）Fig.6 COF as a function of time （a）， SD values of ECR （b）， wear depth （c） under drying and lubricated by different ionic liquids （voltage 2.5 V and load 2 N）

圖7 所示為測得ECR 隨時(shí)間的變化趨勢。 可見，在試驗(yàn)開始時(shí)ECR 數(shù)值穩(wěn)定， ［OMIM］PF6潤滑下的ECR 在運(yùn)行80 min 后出現(xiàn)明顯波動(dòng)， ［P2444］NTf2潤滑下的ECR 在60 min 之后出現(xiàn)輕微波動(dòng)， 而［HO2CMMIm］NTf2潤滑下的ECR 全程都很穩(wěn)定。 SD的計(jì)算結(jié)果也顯示出這樣的結(jié)論（見圖6 （b） ）。故將整個(gè)運(yùn)行過程分為2 個(gè)階段進(jìn)行分析： 前60 min為離子液體充足潤滑的階段， 后60 min 為離子液體逐漸被消耗的階段。 充足潤滑階段， ［OMIM］PF6潤滑下的ECR 較干摩擦下降低約20%， ［HO2CMMIm］NTf2潤滑下ECR 約為340 mΩ， 較干摩擦下降低約32%，［P2444］NTf2潤滑下ECR 約為406 mΩ， 較干摩擦下降低約18.8%。 可見， 相比于干摩擦， 充足潤滑下3 種離子液體都達(dá)到了降低接觸電阻， 提高載流穩(wěn)定性的效果，且［HO2CMMIm］ NTf2潤滑下的載流效率最高。

圖7 干摩擦、 不同離子液體潤滑下接觸電阻隨時(shí)間變化（電壓2.5 V ， 載荷2 N）Fig.7 ECR as a function of time under drying and lubricated by different ionic liquids （voltage 2.5 V and load 2 N）： （a） drying；（b） lubricated by ［OMIM］PF6； （c） lubricated by ［HO2CMMIm］NTf2； （d） lubricated by ［P2444］NTf2

為了更好地了解離子液體作為電接觸潤滑劑的適配性， 進(jìn)一步研究高載（10 N） 條件下離子液體的潤滑性和耐磨壽命。 圖8 所示為測得的COF 隨時(shí)間的變化趨勢， 以及不同潤滑條件下ECR 的SD 值、 碳刷盤的磨損深度。 離子液體潤滑下的COF 與干摩擦相近， 故無法通過摩擦因數(shù)來判斷優(yōu)劣。 因此， 文中以ECR 高幅值的轉(zhuǎn)變作為失效依據(jù)， 來評估其使用壽命。 圖9 所示為測得的ECR 隨時(shí)間的變化趨勢。 同樣發(fā)現(xiàn)， 在離子液體充足潤滑階段3 種離子液體都可以降低ECR， 且SD 值都低于干摩擦（見圖8 （b） ）。 但對整個(gè)磨損過程分析，干摩擦下運(yùn)行80 min 后ECR 值急劇增大， 影響電流傳遞， 出現(xiàn)短路（見圖9 （a） ）。 而［OMIM］PF6、［HO2CMMIm］NTf2潤滑下ECR 的SD 數(shù)值低于干摩擦狀態(tài)下， 表明［OMIM］PF6、 ［HO2CMMIm］NTf2潤滑下接觸穩(wěn)定并具有良好的潤滑性， 且在整個(gè)摩擦過程中都發(fā)揮作用， 作為潤滑劑具有較長的使用壽命。而［P2444］NTf2潤滑下運(yùn)行70 min 有一個(gè)從毫歐姆到開路接觸的轉(zhuǎn)變， 說明［P2444］NTf2潤滑薄膜承載載荷小， 潤滑薄膜最容易失效。

圖8 干摩擦、 不同離子液體潤滑下COF 隨時(shí)間變化（a）， ECR 的SD 值（b）， 磨損深度（c） （電壓2.5 V ， 載荷10 N）Fig.8 COF as a function of time （a）， SD values of ECR （b）， wear depth （c） under drying and lubricated by different ionic liquids （voltage 2.5 V and load 10 N）

圖9 干摩擦、 不同離子液體潤滑下接觸電阻隨時(shí)間變化（電壓2.5 V ， 載荷10 N）Fig.9 ECR as a function of time under drying and lubricated by different ionic liquids （voltage 2.5 V and load 10 N）： （a） drying；（b） lubricated by ［OMIM］PF6； （c） lubricated by ［HO2CMMIm］NTf2； （d） lubricated by ［P2444］NTf2

圖10 和圖11 所示分別為鋼銷和碳刷盤磨損表面的SEM 圖像。 同樣地， 干摩擦下鋼銷表面只有墨痕和碳粉的附著（見圖10 （a） ）， 但碳刷盤磨損嚴(yán)重， 表面粗糙， 有很深的磨痕（見圖11 （a） ）， 且磨痕深度達(dá)到33 μm （見圖6 （c） ）， 磨痕邊緣處有明顯的磨粒堆積， 表明干摩擦下仍然以犁切和磨粒磨損為主。 ［OMIM］PF6潤滑下鋼銷表面有輕微黏著（見圖10 （b） ）， 而碳刷盤表面變得光滑， 磨痕較淺（見圖11 （b） ）， 磨痕深度也達(dá)到18 μm （見圖6 （c） ）， 這表明［OMIM］PF6潤滑可以減少犁切。［HO2CMMIm］NTf2潤滑下鋼銷有輕微離子液體附著（見圖10 （c） ）， 但碳刷盤表面變得更加光滑， 磨痕最淺（見圖11 （c） ）， 磨痕深度僅為15 μm （見圖6 （c） ）， 這表明［HO2CMMIm］NTf2離子潤滑可以改善碳刷表面的磨損形貌， 減小磨痕寬度， 具有最顯著的抗磨能力。 ［P2444］NTf2潤滑下鋼銷表面發(fā)生了黏著（見圖10 （d） ）， 主要是因?yàn)殡x子液體潤滑膜發(fā)生剪切斷裂脫落成磨屑， 由碳刷表面轉(zhuǎn)移到鋼銷表面上； 碳刷盤表面出現(xiàn)一些溝槽和大量磨屑堆積（見圖11 （d） ）， 磨痕的深度達(dá)到27 μm （見圖6 （c））， 表明［P2444］NTf2潤滑下碳刷表面發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移和黏著磨損。 可見， 離子液體在改善碳刷／集電環(huán)的載流摩擦狀態(tài)方面有作用， 其中功能化離子液體［HO2CMMIm］NTf2的潤滑效果最好。

圖11 干摩擦、 不同離子液體潤滑下碳刷盤磨損表面形貌（電壓2.5 V ， 載荷2 N）： （a1-3） 干摩擦；（b1-3） ［OMIM］PF6 潤滑； （c1-3） ［HO2CMMIm］NTf2 潤滑； （d1-3） ［P2444］NTf2 潤滑F(xiàn)ig.11 SEM morphologies of the worn surfaces of carbon brush discs under drying and lubricated by different ionic liquids （voltage 2.5 V and load 2 N）： （a1-3） drying； （b1-3） lubricated by ［OMIM］PF6；（c1-3） lubricated by ［HO2CMMIm］ NTf2； （d1-3） lubricated by ［P2444］NTf2

為了分析不同離子液體潤滑碳刷的作用機(jī)制， 用能譜儀分析了碳刷表面元素分布和材料遷移情況， 如圖12 所示。 同樣地， 干摩擦條件下除檢測到大量C元素外， 還檢測到少量的Fe、 O 元素， 說明在犁切過程中發(fā)生了Fe 的黏著轉(zhuǎn)移和氧化。 而離子液體潤滑下碳刷表面上除了含有C 元素還含有P、 F、 O 等元素， 其中［HO2CMMIm］NTf2潤滑下碳刷表面還含有少量的Fe 元素。 說明離子液體中的元素并沒有隨著摩擦而消失， 而是隨著摩擦的進(jìn)行形成了一層石墨和離子液體的混合膜， 吸附在碳刷的摩擦界面上， 起到了導(dǎo)電和潤滑的雙重作用［9］。 除了碳刷表面上的一般C 元素外， 主要存在F 元素， F 的原子半徑很小，具有很強(qiáng)的獲得電子的傾向， 更容易在碳刷／鋼銷之間傳遞自由電子， 增加碳刷／集電環(huán)接觸面的導(dǎo)電性，增強(qiáng)了電流的傳輸能力， 從而提高導(dǎo)電能力。 其中［OMIM］PF6潤滑下ECR 波動(dòng)較大， 主要是因?yàn)镕 在［OMIM］ PF6中的含量比在［HO2CMMIm］ NTf2、［P2444］NTf2中的含量要少。 EDS 分析表明， 碳刷在摩擦過程中通過復(fù)雜的物理吸附和摩擦化學(xué)反應(yīng)在磨損表面生成保護(hù)膜， 從而提高了碳刷的減摩抗磨能力和導(dǎo)電能力。

圖12 干摩擦、 不同離子液體潤滑下碳刷盤磨損表面能譜圖（電壓2.5 V ， 載荷2 N）Fig.12 EDS spectra of the carbon brush worn surfaces under drying and lubricated by different ionic liquids（voltage 2.5 V and load 2 N）： （a） drying； （b） lubricated by ［BMIM］PF6； （c） lubricated by［OMIM］PF6； （d） lubricated by ［HO2CMMIm］ NTf2； （e） lubricated by ［P2444］NTf2

2.3 載流和潤滑機(jī)制分析

上述試驗(yàn)結(jié)果表明， 離子液體對碳刷表現(xiàn)出不同的載流性能和潤滑效果， 這是由于離子液體的組成不同所致。 為了闡明離子液體在碳刷上的潤滑機(jī)制和導(dǎo)電機(jī)制， 下面給出了詳細(xì)的解釋。

對于干摩擦來說， 在所有測試條件下， 干摩擦的摩擦因數(shù)、 接觸電阻和磨損深度都相對較大。 EDS 分析表明碳刷表面生成一層表面膜， 而該表面膜本身不導(dǎo)電， 只有達(dá)到擊穿電壓時(shí)才開始導(dǎo)電。 因此， 碳刷在干摩擦過程中具有較高的ECR， 且隨著表面的磨損， 表面膜也不斷被消耗和再生， 故ECR 波動(dòng)較厲害。 特別是在10 N 狀態(tài)下， 大的磨損深度， 導(dǎo)致碳刷與鋼銷接觸分離而出現(xiàn)高ECR。

與干摩擦相比， 3 類離子液體在充足潤滑時(shí)都具有優(yōu)異的潤滑性能， 可顯著提高碳刷／集電環(huán)組件的導(dǎo)電性和載流穩(wěn)定性。 原因在于， 當(dāng)電流施加到碳刷的表面時(shí)， 離子液體中的陽離子和陰離子開始定向移動(dòng)， 其中陽離子移動(dòng)到電源的負(fù)極， 陰離子移動(dòng)到環(huán)電源的正極（見圖13 （a） ）， 陰陽離子可以在摩擦表面形成有序的離子層， 從而減小摩擦表面的直接接觸， 改善碳刷／集電環(huán)的摩擦學(xué)性能［21，32-33］。

圖13 金屬表面吸附離子液體示意［21］ （a）， 離子液體潤滑接觸的界面類型（b）Fig.13 Schematic of ionic liquids adsorption on metal surfaces［21］ （a） interface type of lubricating contact （b）

另外， 離子液體在碳刷表面形成潤滑薄膜的成分不同， 其導(dǎo)電和潤滑機(jī)制也會不同。 離子液體在碳刷表面形成潤滑薄膜的成分一般有3 種： （1） 離子液體產(chǎn)生的物理吸附膜； （2） 離子液體與磨損表面的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)膜； （3） 離子液體與磨損表面發(fā)生物理、 化學(xué)吸附與碳刷表面的石墨混合形成保護(hù)膜。 由EDS 分析可知， ［OMIM］PF6、 ［P2444］NTf2潤滑碳刷表面只含有P 和F 元素， 故以物理吸附為主。 此時(shí)， 由電流驅(qū)動(dòng)所形成的離子吸附膜可以牢固地附著在帶電表面上， 以獲得更高的承載能力和更低的摩擦力［34］， 成為影響摩擦副導(dǎo)電能力和摩擦學(xué)性能的主要因素。

［HO2CMMIm］NTf2潤滑碳刷表面檢測到明顯的Fe、 O 元素， 說明該離子液體在碳刷表面除存在物理吸附之外還生成了牢固的化學(xué)吸附膜。 此時(shí)， 摩擦中的化學(xué)反應(yīng)成為影響碳刷導(dǎo)電性和耐磨性的一個(gè)重要因素。 ［HO2CMMIm］NTf2潤滑碳刷摩擦過程中可能產(chǎn)生了摩擦化學(xué)產(chǎn)物， 而摩擦化學(xué)產(chǎn)物是由陰離子F和P 與摩擦面相互作用形成的［16，35］。 由于碳刷磨痕上的摩擦化學(xué)產(chǎn)物含量較低， 很難對摩擦化學(xué)產(chǎn)物進(jìn)行檢測， 盡管如此， 文中研究還是間接證明了摩擦化學(xué)產(chǎn)物的作用。 因此， ［HO2CMMIm］NTf2潤滑是物理吸附和摩擦化學(xué)產(chǎn)物共同作用的效果。 但無論是物理吸附還是化學(xué)吸附， 都可以實(shí)現(xiàn)低摩擦、 低磨損和平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。

離子液體壽命主要取決于潤滑膜的強(qiáng)度， 而潤滑膜的強(qiáng)度主要取決于吸附類型、 潤滑劑溫度及其添加劑［36-37］。 就吸附類型而言， 化學(xué)吸附膜比物理吸附膜具有更高的膜強(qiáng)度。 這些吸附膜阻止金屬與碳刷之間的直接接觸， 降低粗糙峰間接觸應(yīng)力， 有效地延長了壽命［37］。 潤滑膜的強(qiáng)度還取決于離子液體的消耗速度。 離子液體及其摩擦化學(xué)產(chǎn)物在接觸區(qū)域被耗盡， 潤滑膜則立即失效。 運(yùn)行過程中離子液體的消耗包括被擠出和被摩擦化學(xué)反應(yīng)消耗［38］。

碳刷／集電環(huán)運(yùn)行過程中， 潤滑薄膜被擠壓， 薄膜厚度不斷減小， 可能出現(xiàn)A、 B 和C 3 種類型的界面， 如圖13 （b） 所示。 施加的載荷和潤滑膜的強(qiáng)度決定了碳刷／集電環(huán)潤滑觸點(diǎn)的界面類型［37］。 在A 型界面， 離子液體潤滑碳刷／集電環(huán)表面形成了一層致密的薄膜潤滑層。 運(yùn)行過程中潤滑薄膜不斷被磨損，潤滑膜的強(qiáng)度與碳刷／集電環(huán)表面的應(yīng)力相當(dāng)時(shí)， 形成B 型界面。 如果薄膜強(qiáng)度低于碳刷／集電環(huán)表面的應(yīng)力時(shí)， 會產(chǎn)生C 型界面。 C 型界面的潤滑劑從接觸的碳刷表面被完全擠出。 據(jù)試驗(yàn)過程觀察， 高載荷下［P2444］NTf2在運(yùn)行70 min 后， 界面接觸類型轉(zhuǎn)化為C 型界面， 潤滑薄膜完全失效。 而［OMIM］ PF6、［HO2CMMIm］NTf2運(yùn)行120 min 后， 界面接觸類型依然B 型界面。 但在摩擦后期［OMIM］PF6潤滑下ECR波動(dòng)相對較大， 而［HO2CMMIm］NTf2潤滑下載流穩(wěn)定性最好。 一方面是因?yàn)榛瘜W(xué)吸附膜的存在， 另一方面則是因?yàn)楣δ芑x子液體［HO2CMMIm］NTf2中引入了羧基團(tuán)， 增強(qiáng)了離子液體對表面的吸附力［39-40］，從而形成了更加致密的離子吸附保護(hù)膜， 使得摩擦界面具有低的摩擦因數(shù)和高的承載能力， 使其更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1） 在功能化、 咪唑類、 季膦類三大類離子液體中功能化離子液體對碳刷／集電環(huán)組件的潤滑性能最佳， 可以最大程度地降低摩擦因數(shù)和接觸電阻， 使其界面接觸更加穩(wěn)定。

（2） 咪唑類離子液體烷基側(cè)鏈的長度強(qiáng)烈影響載流界面的潤滑性， 烷基側(cè)鏈較長的潤滑和載流性能更好。

（3） 離子液體在載流摩擦條件下的抗磨與減摩性能與潤滑劑的性質(zhì)及其與磨損表面形成的雙層保護(hù)復(fù)合膜有關(guān)， 且引入特殊官能的功能化離子液體更易于吸附在碳刷表面形成牢固的潤滑膜。