采用新型润滑方法,进一步降低摩擦系数并减缓磨损,实现节能减排,不仅能取得显著的社会和经济效益,也是走新型工业化道路、实现可持续发展及建设生态文明的重要途径。因此如何利用新的润滑方法在传统润滑的基础上进一步减小摩擦和减缓磨损是当前亟需解决的问题。液晶是一种性能优良的润滑介质,有比传统润滑剂更低的摩擦系数和更高的承载能力,进一步降低液晶润滑剂的摩擦系数,探索实现液晶更低摩擦系数的条件和机理有重要的理论与现实意义。本文以GCr15钢球和圆盘为摩擦副,以具有扁平结构联苯氰基刚性链端和短烷基链柔性链端的戊基联苯氰(5CB)液晶作为润滑剂,研究了 5CB液晶的摩擦特性及乙酰丙酮磨合的影响。通过总结实现液体低摩擦的共同特性,选择可与摩擦副表面金属及其氧化物发生缓慢螯合反应的乙酰丙酮作为磨合剂。乙酰丙酮与摩擦表面之间的化学反应加快了磨合期的钢球磨损,形成了具有均匀浅沟槽的磨损表面,反应生成物为Fe(acac)3及少量Cr(acac)3。乙酰丙酮磨合显著降低了 5CB液晶的摩擦系数,载荷为5 N、速度为0.36 m/s时,磨合后的摩擦系数由未经磨合的0.055下降至0.013,下降幅度达76.4%。乙酰丙酮磨合期间的螯合反应增加了钢球磨损,但对磨损形貌有明显改善。与直接使用5CB润滑形成的粗糙、不规则磨损表面相比,乙酰丙酮磨合并经5CB润滑后的磨损表面更加规则、平整,均匀分布有平行于滑动方向的类织构沟槽。与其他磨损表面相比,类织构磨损表面的多项表面参数均符合可以降低摩擦系数的特征,如高Sku、负且小的Ssk值、低Str值以及Spk小于Svk等。磨损主要发生在磨合阶段,摩擦系数稳定后磨损就基本不再增加。磨合过程中乙酰丙酮与磨屑的反应减小了磨屑粒径,增加了磨屑中Si元素的含量。所选润滑体系可在较宽载荷和速度范围内实现0.03及以下的摩擦系数,滑动速度为0.54 m/s时摩擦系数最低,为0.01。利用分子动力学模拟研究了 5CB液晶受限于不同形貌Fe表面时的静态锚定和动态摩擦特性。5CB分子在光滑Fe表面上呈随机表面锚定,而在织构Fe表面上为单向均匀表面锚定,因此织构Fe表面间的5CB分子排列更加有序。5CB分子在织构Fe表面上沿织构方向排列时两者相互作用能最小,而5CB分子在光滑Fe表面的取向改变时,作用能无明显变化。Fe表面限制了 5CB液晶的整体扩散,这种限制在表面附近尤为显著。光滑Fe表面减缓了远离表面的5CB扩散,而织构Fe表面加快了远离表面的5CB扩散,特别是沿织构方向,分别比体相和光滑表面间5CB快8.6%和16.7%。滑动剪切使5CB分子排列更加有序,速度越高,压强越大,5CB序参数越大,滑动时织构Fe表面间的5CB依然比光滑表面间的有序。滑动中5CB的速度分布不是单纯的层流,由类固态锚定层、过渡层和层流层组成,织构表面有更厚的锚定层,造成了更大的实际剪切率。不同速度和压强时织构表面的摩擦系数均小于光滑表面,1 m/s和26 MPa时织构表面的摩擦系数为0.0128,与摩擦实验时的摩擦系数相当。磨合造成的低接触压强无直接降低摩擦系数的作用,摩擦系数的降低主要是因为形成了类织构磨损表面,磨合反应产物Fe(acac)3对摩擦系数影响较小,但能在摩擦过程中保护磨损表面。利用拉曼光谱分析了 5CB分子在不同磨损表面上的取向,与体相5CB和粗糙磨损表面上的5CB相比,类织构磨损表面上的5CB分子更倾向于均匀平面取向。XPS分析表明除磨合阶段的螯合反应和摩擦表面的部分氧化,未发生其他反应,摩擦中5CB液晶和Fe(acac)3都能稳定存在。影响液晶摩擦力大小的主要因素是近表面液晶分子的排列状态,而不是远离表面发生层流液晶的动压效应。乙酰丙酮磨合后形成的类织构磨损表面使5CB分子沿织构方向排列,与流动方向一致,摩擦时液晶指向矢场只发生轻微的展曲弹性变形,且不产生结构缺陷;而直接使用5CB润滑形成的粗糙磨损表面上的5CB分子排列杂乱,与流动方向不一致,指向矢场发生展曲、扭转和弯曲多种弹性变形,并产生指向矢场的结构缺陷和5CB粘度的增加。乙酰丙酮磨合后5CB液晶可实现更低摩擦系数的机理是,磨合产生的类织构磨损表面在润滑过程中产生的弹性自由能变化小于粗糙磨损表面,且不产生锚定和缺陷引发的自由能变化,使得润滑液与摩擦表面间相互作用引起的系统局部自由能变化小于直接使用5CB润滑时的粗糙磨损表面,因此根据熵增理论,类织构磨损表面可以实现更低的摩擦系数。