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Apr 28, 2023

Die tribotronische Steuerung einer ionischen Grenzschicht im Operando erweitert die Grenzen der Schmierung

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20479 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Es wurde die Auswirkung des elektrischen Potentials auf die Schmierung einer nichthalogenierten ionischen Flüssigkeit aus Phosphoniumorthoborat untersucht, die als Zusatz in einem biologisch abbaubaren Öl verwendet wird. Ein hauseigenes tribotronisches System wurde um ein Instrument herum aufgebaut, das die Dicke des Schmierfilms zwischen einer rollenden Stahlkugel und einer rotierenden, mit Silikat beschichteten Glasscheibe messen soll. Das Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen der Stahlkugel und einem Satz maßgeschneiderter Gegenelektroden führte eindeutig zu Veränderungen in der Dicke des Schmierfilms: eine deutliche Abnahme bei negativen Potentialen und eine Zunahme bei positiven Potentialen. Komplementäre Neutronenreflexionsstudien zeigten die intrinsische Elektroreaktivität des Adsorbats: Dies wurde an einem goldbeschichteten Siliziumblock durchgeführt und im selben Schmiermittelsystem durch Deuterierung des Öls ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anionen, die als Anker für den adsorbierten Film auf der Stahloberfläche fungieren, maßgeblich an der Bildung dicker und robuster schmierender ionischer Grenzfilme beteiligt sind. Das Anlegen eines hohen positiven Potentials außerhalb des elektrochemischen Fensters führte zu einer enormen Erhöhung der Filmdicke, was die Bildung ionischer Mehrfachschichten implizierte und die Plausibilität einer Fernsteuerung fehlerhafter Kontakte in unzugänglichen Maschinen wie Offshore-Wind- und Wellenanlagen demonstrierte Energieanlagen.

Die Energie, die zur Überwindung von Reibung und zur Behebung verschleißbedingter Ausfälle in Maschinen verbraucht wird, trägt erheblich zum weltweiten Energieverbrauch bei (schätzungsweise 23 % im Jahr 2017)1. Es wird prognostiziert, dass die tribologische Forschung, die sich auf die Entwicklung neuer Oberflächen, Materialien und Schmiertechnologien zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß in mechanischen Komponenten konzentriert, ein enormes Potenzial zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der Emissionen bietet1,2. Aus Sicht der nachhaltigen Schmierung zielen die meisten Forschungsarbeiten auf die Entwicklung umweltfreundlicher Schmierstoffe ab, die zur Verbesserung der Maschineneffizienz und -zuverlässigkeit beitragen3. Da moderne Maschinen immer kompakter (für höhere Leistungsdichte) und elektrifiziert werden, steigen die funktionalen Anforderungen an die Schmiersysteme. Dies führt zu neuartigen alternativen Schmierkonzepten wie der Tribotronik.

Tribotronik ist eine Verschmelzung von Tribologie und Elektronik mit dem Ziel, die Maschineneffizienz und Haltbarkeit durch In-situ-Kontrolle von Verlustauswirkungen wie Reibung und Verschleiß zu verbessern4. Ein tribotronisches System umfasst einen tribologischen Kontakt, Sensoren (Überwachung von Reibung, Vibration, Temperatur usw.), Aktoren und eine Steuereinheit4. Ionische Flüssigkeiten (ILs), definiert als organische Salze mit Schmelzpunkten unterhalb einer bestimmten Nenntemperatur (normalerweise 100\(^\circ\)C)5, haben sich aufgrund ihrer ionischen Natur als brauchbare Kandidaten für tribotronische Betätigungssysteme herausgestellt. ILs weisen auch die Fähigkeit auf, ihre Ionendynamik unter dem Einfluss externer Faktoren wie Temperatur, Druck und elektrischem Feld zu verändern6.

ILs haben als reine Schmierstoffe gute Schmiereigenschaften gezeigt7,8,9,10,11,12,13 und übertreffen in einigen Fällen vollständig formulierte Schmieröle10,11,14. Es wurden auch Forschungsanstrengungen unternommen, um öllösliche ILs für die Anwendung als Schmierstoffadditive zu synthetisieren und tribologisch zu bewerten15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Einige dieser ILs zeigten eine mit ZDDP vergleichbare Verschleißschutzleistung17 und bei gemeinsamer Verwendung auch eine synergistische Leistung25. Es wurde eine Oberflächenaktivität von ILs gegenüber geladenen Oberflächen nachgewiesen, die zur Bildung geordneter Grenzfilme führt6,26,27,28,29,30. Es hat sich gezeigt, dass diese nicht opfernden Filme dazu beitragen, die Reibung zu reduzieren und die Kontakttrennung aufrechtzuerhalten31,32. Da die meisten allgemein verfügbaren ILs für chemische Anwendungen gedacht waren, umfassen ihre Strukturen Halogene, die bei der Hydrolyse dazu neigen, toxische und korrosive Halogenide zu bilden33,34,35,36. Um dieses Problem anzugehen, wurden nichthalogenierte ILs auf Bor- und Phosphorbasis für die Schmierstoffforschung entwickelt37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47.

Die molekulare Architektur der ionischen Spezies und ihr Dissoziationsgrad im Öl könnten die Morphologie der ionischen Grenzschicht bestimmen48. ILs mit einem hohen Dissoziationsgrad im Öl bilden strukturiertere und robustere ionische Grenzschichten und verbessern dadurch die Schmierfähigkeit des Öls48. Eine breite Palette wissenschaftlicher Techniken wurde implementiert, um die Möglichkeit zu bewerten, durch elektrisches Potenzial Veränderungen an der Grenzflächenschicht herbeizuführen und dadurch eine tribotronische Steuerung zu erreichen. Experimente zur Neutronenreflexion (NR) haben gezeigt, dass die Grenzflächenschichten, die auf einer Goldelektrode durch in polaren Lösungsmitteln dispergiertes Trihexyltetradecylphosphonium-bis(mandelato)borat (P-BMB) IL gebildet wurden, auf angelegtes elektrisches Potential in Bezug auf Schichtdicke und Ionenzusammensetzung reagieren26, 27. Ein positives Potenzial erhöhte die Anionenkonzentration und ein negatives Potenzial erhöhte die Kationenkonzentration in der eher diffusen (mit einer erheblichen Anzahl von Lösungsmittelmolekülen) Grenzflächenschicht. Für dieselbe, aber reine IL, zeigten atomistische Molekulardynamiksimulationen der Ionenstrukturierung an neutralen und geladenen Elektroden durch Oberflächenladung induzierte Änderungen der Ionenkonzentration sowie der molekularen Orientierungen in den Grenzflächenschichten49. Das Abwiegen der Oberflächenladung auf einer Goldelektrode für das reine IL, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtris(pentafluorethyl)trifluorphosphat, mithilfe einer elektrochemischen Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) hat auch durch das elektrische Potenzial bedingte Veränderungen im damit verbundenen Kationen-Anionen-Verhältnis ergeben der Elektrodenoberfläche50.

Messungen der Normalkraftkurve mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) haben gezeigt, dass die Art der Grenzflächenstruktur, die durch ein elektrisches Potential induziert wird, von der Ionenarchitektur abhängt51,52. Kleine Anionen fördern eine bessere Packung bei positiven Potentialen51. Die kationische Struktur mit entweder einem stark an der Oberfläche gebundenen Imidazoliumring oder langen Alkylketten (die solvophobe Wechselwirkungen verstärken) fördert nachweislich eine effizientere Strukturierung bei negativen Potentialen51,52. AFM-Studien ergaben, dass eine starke und effiziente Grenzflächenstruktur, die durch elektrisches Potenzial induziert wird, zu einer geringen Reibung führt27,53. Der Einfluss der Gleitgeschwindigkeit auf die Reibung wird durch diese starke Grenzschicht aufgrund der Bildung einer wohldefinierten Gleitebene verringert53. Bei hohen Potentialen wurde auch über die Bildung einer mehrschichtigen Ionenstruktur zur Neutralisierung des Oberflächenpotentials berichtet54,55. Die Intensität der Elektroreaktion von in einem Lösungsmittel dispergiertem IL hängt von der IL-Volumenkonzentration ab, wobei für die IL-Konzentration von Trihexyl(tetradecyl)phosphoniumbis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinat (P-BMPP) eine vernachlässigbare Elektroreaktion beobachtet wird weniger als 5 Mol-% in einem Modelllösungsmittel – Hexadecan56. NR-Studien haben auch gezeigt, dass eine Erhöhung der IL-Volumenkonzentration die Ionenkonzentration in der Grenzflächenschicht erhöhte und dadurch die Elektroreaktion verstärkte27. AFM-Studien haben gezeigt, dass die durch das elektrische Potential induzierte Ionenanordnung in der Grenzschicht und die daraus resultierende Reibungsreaktion auch mit der Beschaffenheit des Substratmaterials variieren57. Es wurde berichtet, dass einige ILs die Reibung dramatisch verändern58,59,60 und sogar eine „Superschmierfähigkeit“59,60 erzeugen, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Diese Ergebnisse wurden auch durch Nichtgleichgewichts-Molekulardynamiksimulationen von IL-Filmen im Nanomaßstab auf geladenen Oberflächen gestützt61,62,63.

Die AFM-Studien und die oberflächenempfindlichen Analysetechniken wie NR und QCM bewerten die Elektroreaktion von ILs auf glatten Substraten wie Gold, Graphit oder Glimmer. Diese Ergebnisse können jedoch nicht direkt auf die durch raue Oberflächen gebildeten tribologischen Kontakte im Makromaßstab übertragen werden64. Begrenzte Studien zu makrotribologischen Kontakten haben Veränderungen im IL-Reibungsverhalten bei angelegtem elektrischem Potential gezeigt65,66,67. Es wurde auch über dauerhafte Veränderungen der Reibungsreaktion einer Mischung aus zwei ILs durch die Anwendung eines elektrischen Impulses berichtet68. Diese Studien liefern jedoch keinen Beweis für die Reversibilität der tribologischen Leistung bei Änderung der potenziellen Vorspannung, was für die Entwicklung von Systemen mit tribologischer In-situ-Kontrolle wichtig ist.

Hier haben wir die Elektroreaktion des Schmierfilms untersucht, der durch eine nichthalogenierte IL, Trihexyl(tetradecyl)phosphoniumbis(oxalato)borat (P-BOB), gebildet wird, die einem biologisch abbaubaren Öl (2-Ethylhexyllaurat: 2EHL) zugesetzt wird, unter Verwendung eines Eigenentwickeltes tribotronisches System. Wenn diese IL als Additiv in geringer Konzentration (1 Gew.-%) verwendet wird, bildet sie dicke und robuste, nicht opfernde, adsorbierte ionische Grenzfilme, wodurch die Schmierfähigkeit des Öls verbessert wird48.

Die molekularen Strukturen des Grundöls und der in dieser Studie verwendeten IL sind in Abb. 1 dargestellt. Das Grundöl, 2-Ethylhexyllaurat: 2EHL (Dehylub® 4003, Emery Oleochemicals GmbH), ist leicht biologisch abbaubar (91,7 % biologischer Abbau in a). 28-Tage-Zeitraum69) synthetischer Ester mit niedriger Viskosität (4-6 cSt bei 40\(^\circ\)C).

Trihexyl(tetradecyl)phospohniumkation (a); Bis(oxalato)borat (BOB)-Anion (b); und Grundöl, 2-Ethylhexyllaurat (2EHL) (c).

Die in dieser Studie verwendete IL war Trihexyltetradecylphosphoniumbis(oxalato)borat (P-BOB)70. Es hat sich gezeigt, dass P-BOB robuste reibungs- und verschleißmindernde ionische Grenzfilme bildet, wenn es als Additiv in geringer Konzentration (1 % w/w) in 2EHL48 verwendet wird. Diese Studie zeigte auch, dass die IL in einer Konzentration von mindestens 10 Gew.-% mit 2EHL mischbar ist.

NR- und Nanotribologie-Experimente zeigten, dass die Zusammensetzung und das Ausmaß der IL-Grenzschichten konzentrationsabhängig sind und bei hohen IL-Konzentrationen deutliche elektroresponsive Veränderungen beobachtet werden konnten27. Daher wurde eine IL-Konzentration von 5 % w/w in 2EHL implementiert, um deutliche elektroresponsive Effekte zu erzielen. Zur Herstellung der ionischen Lösung wurden die abgewogenen Komponenten (2EHL und P-BOB) kombiniert und dann geschüttelt, gefolgt von 1-stündigem Erhitzen auf 40\(^\circ\)C und anschließender 10-minütiger Ultraschallbehandlung.

Die zentrale Filmdicke im elastohydrodynamischen (EHD) Kontakt wurde mit einem EHD2-Prüfstand von PCS Instruments, UK, gemessen. EHD2 verwendet optische Interferometrie, um die ultradünne Filmdicke zwischen einer Stahlkugel (3/4 Zoll Durchmesser) und einer mit einer Silikat-Abstandsschicht beschichteten Glasscheibe mit einer Unsicherheit von ± 1 nm71 zu messen. Die Kugel und die Scheibe werden einzeln gedreht, um dies zu erreichen die erforderliche Mitnahmegeschwindigkeit und das Gleit-Roll-Verhältnis (SRR).

Schematische Darstellung eines modifizierten EHD2 mit einem 2-Elektroden-Aufbau. Die Arbeitselektrode (WE) des Potentiostaten (a) ist über einen Schleifringkörper (c) und eine Schleifringbürste (d) mit der Kugelantriebswelle (b) verbunden. Die Antriebswelle ist außerdem über einen gewickelten Draht (f) elektrisch mit der Kugel (e) verbunden. Die Antriebswelle ist durch den Einsatz von Keramiklagern (nicht dargestellt) elektrisch vom Rest der Ausrüstung isoliert. Die Gegenelektroden (CE) für den Aufbau bestehen aus zwei Edelstahlblöcken (g) auf beiden Seiten der Kugel. Die Innenseite der Blöcke ist kugelförmig und ermöglicht einen Spalt von ca. 0,5 mm zwischen jedem CE und der Kugeloberfläche (Einschub). Diese Blöcke werden von einem Rahmen (h) gehalten, der in den Kugelwagen (i) integriert ist, der aus einer 3-Lager-Geometrie (Keramiklager zur elektrischen Isolierung) besteht, auf der die Kugel ruht. Ein PTFE-Streifen (nicht dargestellt) isoliert die Blöcke elektrisch vom Rahmen. Die Blöcke werden über einen Kabelsatz (j) mit der CE-Klemme des Potentiostaten verbunden. Der Kugelschlitten verschiebt sich vertikal, um die erforderliche Kontaktlast zwischen der Kugel und der Glasscheibe (k) zu erreichen. (Solidworks 2019, Dassault Systèmes; verfügbar unter https://www.solidworks.com/).

Der EHD2-Prüfstand wurde um ein tribotronisches System erweitert. Das Schema der Aufbauänderungen ist in Abb. 2 dargestellt. Der Aufbau verwendet einen 2-Elektroden-Aufbau, wobei die Referenzelektrode (RE) und die Gegenelektrode (CE) vertauscht sind. Die Stahlkugel war die Arbeitselektrode (WE). Die Gegenelektrode bestand aus zwei Edelstahlblöcken (AISI 304), die auf beiden Seiten der Kugel positioniert waren. Die Blöcke hatten eine kugelförmige Innenfläche, was einen Elektrodenabstand (zwischen WE und CE) von etwa 0,5 mm ermöglichte. Die Blöcke wurden auf einer Ebene senkrecht zur Kugelachse positioniert, sodass die Kugelkontaktbahn (Tribobahn) kontinuierlich durch das elektrische Feld laufen konnte, das während der Rotation zwischen WE und CE erzeugt wurde. Die Testlösung wurde eingefüllt, bis die CE-Blöcke eingetaucht waren. Zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden wurde ein Potentiostat von Metrohm Autolab (PGSTAT204) verwendet. Während der Tests wurden das an den Elektroden angelegte Potenzial und der Strom kontinuierlich überwacht.

Vor jedem Experiment wurden die Testproben, Glasscheibe und Stahlkugel, jeweils 30 Minuten lang in Heptan und Isopropanol mit Ultraschall behandelt. Der Kugelwagen wurde nacheinander in Heptan und Isopropanol eingeweicht. Alle Proben und Zubehörteile wurden vor dem Trocknen mit Ethanol gespült. Die sphärischen Oberflächen des CE wurden mit Kemet-Diamantpaste (25 µm) poliert, um die beim vorangegangenen Test abgelagerten organischen und elektrochemischen Rückstände zu entfernen. Die Experimente wurden unter reinen Walzbedingungen (0 % SRR) bei 40\(^\circ\)C durchgeführt (Tabelle 1).

Für die Lösung und den Elektrodenaufbau wurden zyklische Voltammetriemessungen (CV) durchgeführt, um ein sicheres elektrochemisches Fenster festzulegen, innerhalb dessen die Auswirkungen von Faradayschen Ereignissen minimiert werden. Für diese Messungen wurden frische 2EHL + P-BOB-Lösung und Proben im gleichen tribotronischen Aufbau wie oben beschrieben verwendet. Die aktuelle Reaktion wurde aufgezeichnet, während das Potential zwischen -2 und 2 V zyklisch bewegt wurde, beginnend bei OCP in anodischer Richtung, mit einer Abtastrate von 100 mV/s.

Messungen des elektrochemischen Neutronenreflexionsvermögens (NR) wurden an einer Goldarbeitselektrode bei verschiedenen Potentialen für eine 5 % w/w-Lösung von P-BOB in 2EHL durchgeführt, um die Grenzflächenstrukturierung und ihre elektrische Reaktion zu bewerten. Diese Technik nutzt den Kontrast zwischen den Streulängendichten (SLDs) der Massenlösung, der ionischen Spezies und des Substrats, um die Zusammensetzung und die Dicke des ionischen Grenzfilms zu untersuchen. Die Wahl von Gold als Substrat wurde durch die Notwendigkeit einer homogenen und nahezu atomar glatten Oberfläche bestimmt, die nicht einfach zu erreichen ist, um kleinste Änderungen im Grenzfilm zu erfassen. Dieses Experiment wurde bei der Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO) in Australien durchgeführt. Das experimentelle Verfahren, der Aufbau der elektrochemischen Zelle und die Datenanpassungsmethode wurden an anderer Stelle beschrieben26. Um etwaige Unterschiede an der Goldgrenzfläche im Vergleich zur Masse hervorzuheben, wurde die IL-Mischung mit geeignetem Kontrast an die Gold-SLD (\(4,56 \times 10^{-6}\) Å\(^{-2}\)) angepasst Verhältnis von hydriertem 2EHL und perdeuteriertem 2EHL. Es wurde festgestellt, dass ein zweischichtiges Grenzflächenmodell die beste Anpassung an die Reflektivitätskurven liefert.

Elektroreaktion der zentralen Filmdicke für 2EHL + 5 % P-BOB-Lösung bei 100 und 30 mm s\(^{-1}\) Mitnahmegeschwindigkeiten. Das angelegte Potenzial wurde alle 30 Minuten geändert. Im unteren Teil der Abbildung sind die Stromverläufe dargestellt, die den angelegten Potentialen entsprechen.

Tribotronische Filmdickenexperimente wurden für 2EHL + 5 % P-BOB-Lösung unter Verwendung des im Abschnitt „Methoden“ beschriebenen experimentellen und elektrochemischen Aufbaus durchgeführt. Die Filmdicke wurde bei konstanter Mitnahmegeschwindigkeit und Belastung gemessen. Abbildung 3 zeigt elektroresponsive Filmdickendiagramme für die Lösung bei zwei verschiedenen Mitnahmegeschwindigkeiten (100 und 30 mm s-1). Im unteren Teil der Abbildung sind die Stromverläufe dargestellt, die jeweils 30 Minuten lang den angelegten elektrischen Potentialen entsprechen. Diese angelegten Potentiale lagen innerhalb eines elektrochemischen Fensters von −1 bis +0,5 V, ermittelt durch Cyclovoltammetrie (CV). Die CV-Scans (Abb. 4) zeigen einen Oxidationspeak bei etwa + 1,25 V, während er bis etwa + 0,75 V linear verläuft. Obwohl innerhalb der gescannten Potentiale (− 2 bis + 2 V) kein Reduktionspeak erreicht wird, ist die Steigung von Die Kurve steigt für Potentiale unter −1 V stark an. Daher ist innerhalb des etablierten elektrochemischen Fensters zu erwarten, dass die Auswirkungen Faradayscher Prozesse minimal sind.

Vier aufeinanderfolgende CV-Scans zwischen + 2 und – 2 V, wobei der erste Scan bei OCP (ca. + 0,1 V) für 2EHL + 5 % P-BOB-Lösung beginnt.

Während das reine 2EHL-Öl keine elektrische Reaktionsfähigkeit zeigt (ergänzende Abbildung S2), reagierte die Filmdicke für die 2EHL + P-BOB-Lösung bei beiden Mitnahmegeschwindigkeiten stark auf das angelegte elektrische Potential (Abb. 3). Bei 0 V wird eine konstante Filmdicke beobachtet. Die Größe der Filmdicke entspricht dem Niveau der stabilisierten Filmdicke für den Zustand des offenen Kreislaufs (OC) (ergänzende Abbildung S1) ohne die dicken Anfangsfilme. Da das Leerlaufpotential (OCP) des Systems leicht positiv ist (\(\ungefähr\) + 0,1 V), sollte eine Anwendung von 0 V die Adsorption und Strukturierung der Grenzschicht leicht verändern. Dies wird durch den kleinen negativen Strom bestätigt, der während dieses Schritts gemessen wurde (ein vergrößertes Diagramm der Stromkurve während des 0-V-Schritts ist in der ergänzenden Abbildung S3 dargestellt). Die absolute Zusammensetzung des Grenzfilms bei diesem Potential kann jedoch nicht bestimmt werden.

Bei negativen Potentialen wird ein Ionenaustausch zwischen dem Grenzfilm und der Masse erwartet, der die Kationendichte im Grenzfilm erhöht. Beim Anlegen solcher negativer Potentiale wurde eine allmähliche Abnahme der Filmdicke beobachtet, die offenbar von der Größe des negativen Potentials abhängt. Dies deutet darauf hin, dass die kationenreichen Grenzfilme nicht effizient adsorbieren und daher den kontinuierlichen Rollbedingungen nicht standhalten können. Darüber hinaus scheint die Filmdicke allmählich in Richtung der anfänglichen Filmdicke für 2EHL-Öl abzufallen (ergänzende Abbildung S1), was die Hypothese stützt, dass der ionische Grenzfilm allmählich abnimmt. Der Film konnte durch Anlegen eines positiven Potentials leicht wiederhergestellt werden, wobei erwartet wird, dass der Grenzflächenfilm anionenreich ist. Dies zeigt, dass die Anionen entscheidend für die Lasttragefähigkeit des ionischen Grenzfilms sind. Anionen mit vier oberflächenaktiven Carbonylgruppen fungieren als Anker für die Bildung starker adsorbierter Filme bei 0 V und positiven Potentialen. Im Gegensatz dazu nimmt bei negativen Potentialen die Anionenkonzentration im Grenzfilm ab, was zu einem Verlust der Verankerungsfähigkeit des Grenzfilms führt. Während des letzten 0-V-Schritts (120–150 Minuten) wird eine leichte Erholung und Stabilisierung der Filmdicke beobachtet, was auf eine Reorganisation des Grenzflächenfilms hindeutet, um einen Teil der Lasttragekapazität wiederzugewinnen. Für eine größere Erholung der Filmdicke wäre jedoch eine stärkere positive Potentialvorspannung erforderlich. Die Stromkurven zeigen im Moment der Potenzialänderung auch eine Spitze, die dann zu einem niedrigen, aber endlichen Stromwert konvergiert. Dies deutet auf eine signifikante Mobilisierung und Reorganisation der Ionen mit der Änderung der elektrischen Potentialvorspannung hin. Es ist auch zu beobachten, dass diese Filmdickendaten im Vergleich zur Filmdicke im offenen Kreislauf eine viel geringere Streuung aufweisen (ergänzende Abbildung S1), was auf eine kontrollierte und wohldefinierte Grenzflächenstrukturierung schließen lässt. Diese Ergebnisse zeigen die In-situ-Kontrollbarkeit der Schmierfilmdicke durch eine Variation der elektrischen Potentiale innerhalb des elektrochemischen Fensters der Öl+IL-Lösung. Dadurch kann die Kontakttrennung kontrolliert werden. Obwohl sich diese Experimente auf die Modifizierung der adsorbierten Filme auf der Stahlkugeloberfläche konzentrieren, ist es erwähnenswert, dass der gemessene Schmierfilm auch einen auf der Silikatoberfläche der Glasscheibe adsorbierten Grenzfilm enthält, dessen Beschaffenheit und die Auswirkungen der Ladungsakkumulation auf der Silikatoberfläche sind unbekannt.

(a) NR-Reflexionskurven für kontrastangepasstes 2EHL + 5 % P-BOB bei verschiedenen angelegten Potentialen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Kurven auf der Y-Achse versetzt. Die Symbole stellen experimentelle Daten dar, während die durchgezogenen Linien am besten zu den Daten passen. Einschub: Asymmetriediagramm, das die Änderungen in den Nicht-Null-Potential-NR-Kurven in Bezug auf die 0-V-Kurve hervorhebt. (b) SLD-Profile, die aus den besten Anpassungen an die NR-Daten erhalten wurden (z = 0 an der Gold/Lösungs-Grenzfläche).

Die elektrische Reaktionsfähigkeit des ionischen Grenzfilms wurde durch ein Neutronenreflexionsexperiment getestet. Die Goldoberfläche mit einer Rauheit im Subnanometerbereich kann mit Neutronen untersucht und die Reaktion auf elektrische Felder gemessen werden26,27,28. Abbildung 5a zeigt ein Neutronenreflexionsexperiment in derselben Öllösung wie die tribologischen Experimente. Das Vorhandensein der Kiessig-Streifen im Profil weist auf eine genau definierte Grenzschicht auf der Oberfläche mit einer anderen Streulängendichte (SLD) als die Hauptflüssigkeit hin26. Das angepasste SLD-Profil (etwas analog zu einem Brechungsindex für Neutronen) dieser ionenreichen Schicht (Abb. 5b) zeigt die Schichtdicke und -zusammensetzung. Die beste Anpassung impliziert eine ausgeprägte Grenzflächenschicht mit einem zweiten Bereich, der sich von der Masse abhebt, aber einen viel geringeren Ionengehalt aufweist. Das Anlegen eines elektrischen Potentials zeigt eine messbare Änderung in der Grenzflächenschicht, die im Vergleich zu der bei 0 V dünner und besser definiert wird. Der niedrigere SLD der Grenzflächenschicht bei −1 V im Vergleich zu dem bei +0,25 V zeigt a an relativ höhere Kationendichte (da das Kation einen viel niedrigeren SLD als das Anion hat). Da das Substrat unterschiedlich ist (die Herausforderungen, eine Stahloberfläche mit Å-Rauheit und homogener Zusammensetzung über die erforderliche Fläche von 25 cm\(^2\) zu erhalten, wurden für diese Studie als zu groß erachtet), kann keine genaue Aussage erwartet werden Übereinstimmung des Verhaltens mit dem auf tribologischen Oberflächen. Die allgemeinen Merkmale erinnern jedoch stark daran. Erstens kommt es zu einer deutlichen Ausbildung einer wohldefinierten ionenreichen Grenzschicht im Nanometerbereich. Zweitens ändern sich Zusammensetzung und Dicke der Schicht als Reaktion auf das elektrische Potenzial.

Elektroreaktion auf die mittlere Filmdicke für 2EHL + 5 % P-BOB-Lösung mit angelegten Hochspannungen (− 1,5 und + 1,5 V: außerhalb des elektrochemischen Fensters). Das Potenzial wurde alle 30 Minuten geändert, wobei die ersten beiden Potenzialänderungen innerhalb des elektrochemischen Fensters lagen. Der untere Teil des Diagramms zeigt die Stromkurve, die dem angelegten Potenzial entspricht. Der Abbildungsausschnitt zeigt einen Ausschnitt aus der Fortsetzung desselben Tests, bei dem die hohen Potentiale über einen längeren Zeitraum angelegt wurden (+ 1,5 V für 2 Stunden, gefolgt von – 1,5 V für 1 Stunde).

Zusätzliche Tests wurden im tribotronischen EHD-Aufbau durchgeführt, um die Wirkung von Potentialen außerhalb des etablierten elektrochemischen Fensters zu bestimmen. Abbildung 6 zeigt ein Filmdickendiagramm mit eingeschlossenen Hochpotentialen. Die ersten beiden Potentialänderungen lagen innerhalb des elektrochemischen Fensters. Anschließend wurden nacheinander −1,5 und +1,5 V angelegt. Ein Potential von −1,5 V ergab eine ähnliche Reaktion wie die „niedrigen“ negativen Potentiale. Beim Umschalten auf +1,5 V (120 bis 150 Minuten) nimmt die Filmdicke dramatisch zu (um etwa 14 nm) und scheint innerhalb der möglichen Anwendungsdauer von 30 Minuten keinen stabilen Zustand zu erreichen. Das „hohe“ positive Potenzial scheint eine massive ionische Reorganisation auszulösen, was zu einer mehrschichtigen anionenreichen Grenzflächenstrukturierung und einem sehr dicken Schmierfilm führt. Bemerkenswert ist, dass die Filmdicke bei Anlegen eines höheren elektrischen Potentials fast augenblicklich wiederhergestellt wird, was eine Voraussetzung für einen „roten Knopf“-Ansatz zur Rettung eines tribologischen Systems ist. Allerdings kann bei diesem Potential das Auftreten von Faradayschen Oxidationsreaktionen am WE und die daraus resultierende Anreicherung von Oxidationsprodukten nicht ausgeschlossen werden. Das anschließende Anlegen von −1,5 V verringert die Filmdicke, wenn auch auf ein etwas höheres Niveau im Vergleich zum früheren −1,5 V-Schritt. Dieser Unterschied (\(\ungefähr\) 2 nm) könnte eine Schätzung für den Einfluss der Faraday-Reaktion während des vorangegangenen +1,5-V-Schritts liefern, was darauf hindeutet, dass etwaige Reaktionsprodukte nur einen geringen Beitrag zur Gesamtzunahme der Filmdicke während der 30 Minuten leisten von + 1,5 V angelegtem Potential. Um die stationäre Filmdicke zu bewerten, die sich aus dem Anlegen „hoher“ Potentiale ergibt, wurde der Test mit diesen über einen längeren Zeitraum angelegten Potentialen fortgesetzt (+ 1,5 V für 2 Stunden, gefolgt von –1,5 V für 1 Stunde). Ein Ausschnitt der Filmdickendaten aus diesem erweiterten Test ist in Abb. 6 im Einschub dargestellt. Dabei wurde beobachtet, dass sich die Filmdicke aufgrund von + 1,5 V auf einem sehr hohen Niveau stabilisierte (\(\ungefähr\) 30 nm). Das anschließend angelegte negative Potential scheint, während es die Filmdicke verringert, auf ein viel höheres Niveau zu konvergieren (\(\ungefähr\) 20 nm) im Vergleich zum vorherigen −1,5-V-Schritt (\(\ungefähr\) 14 nm). Der Unterschied im Filmdickenniveau der beiden − 1,5 V-Stufen (20 nm − 14 nm = 6 nm) korreliert auch gut mit dem Unterschied im Filmdickenniveau während der beiden vorhergehenden + 1,5 V-Stufen (30 nm − 25 nm =). 5 nm). Dies deutet darauf hin, dass bei längerer Einwirkung eines „hohen“ positiven Potentials der irreversible Beitrag der Faradayschen Oxidationsreaktionen zur Filmdicke an Bedeutung gewinnt. Diese Ergebnisse bieten einen vielversprechenden Ansatz für den Entwurf tribotronischer Systeme mithilfe von ILs. Darüber hinaus kann eine sich verschlechternde Schmierung möglicherweise durch eine kurze Anlegung elektrischer Spannung behoben werden, die die Bildung schützender mehrschichtiger Filme auf der Oberfläche auslöst.

Die Selbstorganisationseigenschaften einiger ILs sowie die Fähigkeit, die Grenzflächenschichten durch externe elektrische Betätigung zu modifizieren, machen ILs zu einer attraktiven Option für die Entwicklung tribotronischer Systeme. Durch eine Elektroresponsivitätsstudie eines tribologischen Kontakts im Makromaßstab, der mit einem biologisch abbaubaren Öl mit einem Phosphoniumorthoborat-IL als Zusatz geschmiert wurde, haben wir das Potenzial gezeigt, die Schmierfilmdicke und damit die Kontakttrennung von außen zu beeinflussen. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung wurden signifikante systematische Veränderungen in der Dicke des Schmierfilms beobachtet, der aus Ionengrenzfilmen und elastohydrodynamischen Filmen besteht. Es wurde festgestellt, dass der kationenreiche Grenzfilm bei negativem Potential schwach an der Oberfläche adsorbiert wird, was zu einer allmählich abnehmenden Filmdicke führt. Bei einem positiven Potential ließ sich die Filmdicke leicht wiederherstellen, was darauf hindeutet, dass die polaren Carboxylgruppen am Anion als Anker bei der Bildung eines stark adsorbierten Ionenfilms dienen. Das NR-Experiment an Gold zeigte eine Ionenverstärkung an der Grenzfläche und Veränderungen in den relativen Kationen-/Anionendichten bei Anlegen eines elektrischen Potentials, was die Annahme stützt, dass das elektrische Feld die Oberflächenkonformation verändert. Während die Nanotribologie das Konzept der Tribotronik seit langem bestätigt, zeigen diese Ergebnisse, dass die elektrische Reaktionsfähigkeit der IL-Grenzflächenstruktur auf tribologische Kontakte im Makromaßstab zur operativen Steuerung der Schmierfähigkeit übertragen werden kann.

ILs verfügen im Allgemeinen über ein breites elektrochemisches Fenster, das das Konzept der Tribotronik ermöglicht. Innerhalb dieses Zeitfensters können erhebliche Veränderungen in einem angemessenen Zeitrahmen erreicht werden, wie wir jetzt deutlich gezeigt haben. Dennoch können durch Überschreiten dieses elektrochemischen Fensters bei Anlegen größerer, aber immer noch eher bescheidener Spannungen dramatische Veränderungen induziert werden, die auch schneller sind. Da die Ströme gering sind, werden etwaige elektrische Schäden als vernachlässigbar eingeschätzt, insbesondere im Vergleich zu den entsprechenden Schäden durch schlecht geschmierte Kontakte. Diese Entdeckung bietet die Möglichkeit einer zustandsüberwachungsgesteuerten Schmierstoffrettung durch das tribotronische System. Wenn eine Verschlechterung der Schmierung festgestellt wird, kann ein kurzer Stromstoß hoher elektrischer Spannung außerhalb des elektrochemischen Fensters angelegt werden, um einen dicken, oberflächenschützenden mehrschichtigen Ionenfilm zu bilden. Obwohl ein Beitrag zur Filmdicke durch elektrochemische Reaktionsprodukte nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, kann dieser dennoch eine positive Rolle spielen, analog zur Bildung vorteilhafter Tribofilme durch den chemischen Abbau einiger herkömmlicher Schmiermitteladditive wie ZDDP. Somit stellen die ILs nicht nur einen adsorbierten, elektrisch adressierbaren Film bereit, der auch Vorteile für elektrische Anwendungen und die Verhinderung der Erosion durch elektrische Entladung haben kann, sondern sie bieten auch eine Rettungsfunktion mit „rotem Knopf“, die ferngesteuert werden kann. Der dringende Bedarf an einer solchen Fernsteuerung besteht in unzugänglichen Offshore-Wind- und Wellenkraftanlagen sowie in Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Die diesem Artikel zugrunde liegenden Daten werden auf begründete Anfrage an den entsprechenden Autor weitergegeben.

Holmberg, K. & Erdemir, A. Einfluss der Tribologie auf den globalen Energieverbrauch, die Kosten und die Emissionen. Reibung 5, 263–284. https://doi.org/10.1007/s40544-017-0183-5 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Carpick, RW et al. Die Tribologie-Chancenstudie: Kann Tribologie ein Quad retten? Tribol. Lubr. Technol. 72, 44 (2016).

Google Scholar

Sharma, BK & Biresaw, G. Umweltfreundliche und biobasierte Schmierstoffe 1. Aufl. (CRC Press, 2016).

Glavatskih, S. & Höglund, E. Tribotronik – auf dem Weg zur aktiven Tribologie. Tribol. Int. 41, 934–939. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2007.03.001 (2008).

Artikel Google Scholar

Welton, T. Ionische Flüssigkeiten: Eine kurze Geschichte. Biophys. Rev. 10, 691–706. https://doi.org/10.1007/s12551-018-0419-2 (2018).

Artikel PubMed CAS PubMed Central Google Scholar

Hayes, R., Warr, GG & Atkin, R. Struktur und Nanostruktur in ionischen Flüssigkeiten. Chem. Rev. 115, 6357–6426. https://doi.org/10.1021/cr500411q (2015).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Hernández Battez, A. et al. Ionische Flüssigkeiten auf der Basis von Phosphoniumkationen als reine Schmierstoffe: physikalisch-chemische und tribologische Leistung. Tribol. Int. 95, 118–131. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.11.015 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Ye, C., Liu, W., Chen, Y. & Yu, L. Ionische Flüssigkeiten bei Raumtemperatur: Ein neuartiges, vielseitiges Schmiermittel. Chem. Commun.https://doi.org/10.1039/B106935G (2001).

Artikel Google Scholar

Otero, I., López, ER, Reichelt, M. & Fernández, J. Reibungs- und Verschleißschutzeigenschaften von zwei ionischen Tris(pentafluorethyl)trifluorphosphat-Flüssigkeiten als reine Schmierstoffe. Tribol. Int. 70, 104–111. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2013.10.002 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, H., Lu, Q., Ye, C., Liu, W. & Cui, Z. Reibungs- und Verschleißverhalten der ionischen Flüssigkeit von Alkylimidazoliumhexafluorphosphaten als Schmiermittel für den Stahl/Stahl-Kontakt. Tragen Sie 256, 44–48. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(03)00255-2 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Lu, Q., Wang, H., Ye, C., Liu, W. & Xue, Q. Ionische Flüssigkeit 1-Ethyl-3-hexylimidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)-imid bei Raumtemperatur als Schmiermittel für den Stahl-Stahl-Kontakt. Tribol. Int. 37, 547–552. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2003.12.003 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

García, A. et al. Ionische Flüssigkeiten als reines Schmiermittel für Stahl-Stahl-Kontakte. Tribol. Int. 72, 42–50. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2013.12.007 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Munavirov, B. et al. Der Einfluss der Anionenarchitektur auf die Schmierchemie von ionischen Phosphoniumorthoboratflüssigkeiten. Wissenschaft. Rep. 11, 24021. https://doi.org/10.1038/s41598-021-02763-5 (2021).

Artikel PubMed CAS PubMed Central Google Scholar

Qu, J., Blau, PJ, Dai, S., Luo, H. & Meyer, HM Ionische Flüssigkeiten als neuartige Schmierstoffe und Additive für Dieselmotoranwendungen. Tribol. Lette. 35, 181–189. https://doi.org/10.1007/s11249-009-9447-1 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Qu, J. et al. Antiverschleißleistung und Mechanismus einer ölmischbaren ionischen Flüssigkeit als Schmiermitteladditiv. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 4, 997–1002. https://doi.org/10.1021/am201646k (2012).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Qu, J. et al. Vergleich einer ölmischbaren ionischen Flüssigkeit und ZDDP als Schmiermittel-Antiverschleißadditiv. Tribol. Int. 71, 88–97. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2013.11.010 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

González, R. et al. Zwei ionische Flüssigkeiten auf Phosphonium-Kation-Basis als Schmiermittelzusatz zu einem Polyalphaolefin-Grundöl. J. Mol. Liq.https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111536 (2019).

Artikel Google Scholar

Fu, X., Sun, L., Zhou, Tribol. Lett.https://doi.org/10.1007/s11249-015-0596-0 (2015).

Artikel Google Scholar

Fan, M., Yang, D., Wang, Ind. Eng. Chem. Res. 53, 17952–17960. https://doi.org/10.1021/ie502849w (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Yu, B. et al. Ölmischbare und nicht korrosive ionische Flüssigkeiten auf Phosphoniumbasis als mögliche Schmiermitteladditive. Tragen Sie 289, 58–64. https://doi.org/10.1016/j.wear.2012.04.015 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Zhou, Y. et al. Ionische Flüssigkeiten bestehend aus Phosphoniumkationen und Organophosphat-, Carboxylat- und Sulfonatanionen als Schmierstoff-Antiverschleißadditive. Langmuir 30, 13301–13311. https://doi.org/10.1021/la5032366 (2014).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Barnhill, WC et al. Phosphonium-Organophosphat-Ionenflüssigkeiten als Schmierstoffadditive: Auswirkungen der Kationenstruktur auf physikalisch-chemische und tribologische Eigenschaften. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 6, 22585–93. https://doi.org/10.1021/am506702u (2014).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Barnhill, WC et al. Tertiäre und quartäre Ammoniumphosphat-Ionenflüssigkeiten als Schmierstoffadditive. Tribol. Lett.https://doi.org/10.1007/s11249-016-0707-6 (2016).

Artikel Google Scholar

Cai, M., Yu, Q., Liu, W. & Zhou, F. Ionische Flüssigkeitsschmierstoffe: Wenn Chemie auf Tribologie trifft. Chem. Soc. Rev. 49, 7753–7818. https://doi.org/10.1039/D0CS00126K (2020).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Qu, J. et al. Synergistische Effekte zwischen ionischen Phosphonium-Alkylphosphat-Flüssigkeiten und Zinkdialkyldithiophosphat (ZDDP) als Schmierstoffadditive. Adv. Mater. 27, 4767–74. https://doi.org/10.1002/adma.201502037 (2015).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Pilkington, GA et al. Elektroresponsivität von Grenzschichten ionischer Flüssigkeiten in einem polaren Lösungsmittel, nachgewiesen durch Neutronenreflexion. J. Chem. Physik. 148, 193806. https://doi.org/10.1063/1.5001551 (2018).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Pilkington, GA et al. Elektroresponsive Strukturierung und Reibung einer nichthalogenierten ionischen Flüssigkeit in einem polaren Lösungsmittel: Einfluss der Konzentration. Physik. Chem. Chem. Physik. 22, 19162–19171. https://doi.org/10.1039/D0CP02736G (2020).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Pilkington, GA et al. Einfluss von Wasser auf die elektroresponsive Strukturierung und Reibung in verdünnten und konzentrierten ionischen Flüssigkeitsschmierstoffmischungen. Physik. Chem. Chem. Physik. 22, 28191–28201. https://doi.org/10.1039/D0CP05110A (2020).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Hayes, R. et al. Doppelschichtstruktur ionischer Flüssigkeiten an der Au(111)-Elektrodengrenzfläche: Eine Rasterkraftmikroskopie-Untersuchung. J. Phys. Chem. C 115, 6855–6863. https://doi.org/10.1021/jp200544b (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Radiom, M. et al. Anomale Grenzflächenstruktur einer nichthalogenierten ionischen Flüssigkeit: Einfluss von Substrat und Temperatur. Colloids Interfaces 2, 60. https://doi.org/10.3390/colloids2040060 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Li, H. et al. Adsorption ionischer Flüssigkeiten und Nanotribologie an der Kieselsäure-Öl-Grenzfläche: Hundertfache Verdünnung in Öl schmiert genauso effektiv wie die reine ionische Flüssigkeit. J. Phys. Chem. Lette. 5, 4095–9. https://doi.org/10.1021/jz5021422 (2014).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Elbourne, A. et al. Die adsorbierte und oberflächennahe Struktur ionischer Flüssigkeiten bestimmt die Reibung im Nanomaßstab. Chem. Komm. 49, 6797–6799. https://doi.org/10.1039/C3CC42844C (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Sanes, J., Carrión, FJ, Bermúdez, MD & Martínez-Nicolás, G. Ionische Flüssigkeiten als Schmiermittel für Polystyrol- und Polyamid-6-Stahl-Kontakte. Herstellung und Eigenschaften neuer polymerionischer Flüssigkeitsdispersionen. Tribol. Lette. 21, 121–133. https://doi.org/10.1007/s11249-006-9028-5 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Swatloski, RP, Holbrey, JD & Rogers, RD Ionische Flüssigkeiten sind nicht immer grün: Hydrolyse von 1-Butyl-3-methylimidazoliumhexafluorphosphat. Grüne Chem. 5, 361. https://doi.org/10.1039/b304400a (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Cvjetko Bubalo, M., Radošević, K., Radojčić Redovnikovićić, I., Halambek, J. & Gaurina Srček, V. Ein kurzer Überblick über die potenziellen Umweltgefahren ionischer Flüssigkeiten. Ökotoxikol. Umgebung. Sicher. 99, 1–12. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2013.10.019 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Stolte, S. et al. Ionische Flüssigkeiten als Schmierstoffe oder Schmierzusätze: Eine Bewertung der Ökotoxizität und biologischen Abbaubarkeit. Chemosphäre 89, 1135–1141. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.05.102 (2012).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Gusain, R., Gupta, P., Saran, S. & Khatri, OP Halogenfreie Bis(imidazolium)/Bis(ammonium)-di[bis(salicylat)borat] ionische Flüssigkeiten als energieeffiziente und umweltfreundliche Schmiermitteladditive . ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 6, 15318–28. https://doi.org/10.1021/am503811t (2014).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Wu, J., Lu, X., Feng, X. & Shi, Y. Halogenfreie ionische Flüssigkeiten als hervorragende Schmiermittel für Peek-Edelstahl-Kontakte bei erhöhten Temperaturen. Tribol. Int. 104, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.08.009 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Shah, FU et al. Neuartige halogenfreie chelatisierte ionische Orthoborat-Phosphonium-Flüssigkeiten: Synthese und tribophysikalische Eigenschaften. Physik. Chem. Chem. Physik. 13, 12865–12873. https://doi.org/10.1039/C1CP21139K (2011).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Taher, M. et al. Halogenfreie Pyrrolidinium-bis(mandelato)borat-ionische Flüssigkeiten: Einige physikalisch-chemische Eigenschaften und Schmierleistung als Additive zu Polyethylenglykol. RSC Adv. 4, 30617–30623. https://doi.org/10.1039/C4RA02551B (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Khatri, PK, Joshi, C., Thakre, GD & Jain, SL Halogenfreie ionische Ammonium-Organoborat-Flüssigkeiten als Schmieradditive: Der Einfluss von Alkylkettenlängen auf die tribologische Leistung. Neue J. Chem. 40, 5294–5299. https://doi.org/10.1039/C5NJ02225H (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Gusain, R. et al. Physikalisch-chemische und tribophysikalische Eigenschaften von ionischen Flüssigkeiten aus Trioctylalkylammonium-bis(salicylat)borat (n888n-bscb): Einfluss der Alkylkettenlänge. Physik. Chem. Chem. Physik. 19, 6433–6442. https://doi.org/10.1039/C6CP05990B (2017).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Wasserscheid, P. Neue, halogenfreie ionische Flüssigkeiten – Synthese, Eigenschaften und Anwendungen. ECS Proc. Bd. 2002–19, 146–154. https://doi.org/10.1149/200219.0146pv (2002).

Artikel Google Scholar

Minami, I., Inada, T. & Okada, Y. Tribologische Eigenschaften halogenfreier ionischer Flüssigkeiten. Proz. Inst. Mech. Ing. Teil J J. Eng. Tribol. 226, 891–902. https://doi.org/10.1177/1350650112446276 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Gusain, R., Singh, R., Sivakumar, KLN & Khatri, OP Halogenfreie ionische Flüssigkeiten aus Imidazolium/Ammonium-bis(salicylat)borat als Hochleistungsschmierstoffadditive. RSC Adv. 4, 1293–1301. https://doi.org/10.1039/c3ra43052a (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Gusain, R. & Khatri, OP Halogenfreie ionische Flüssigkeiten: Einfluss der chelatisierten Orthoborat-Anionenstruktur auf ihre Schmiereigenschaften. RSC Adv. 5, 25287–25294. https://doi.org/10.1039/c5ra03092g (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Gusain, R., Dhingra, S. & Khatri, OP Fettsäurebasierte, halogenfreie ionische Flüssigkeiten als erneuerbare, umweltfreundliche und leistungsstarke Schmiermitteladditive. Ind. Eng. Chem. Res. 55, 856–865. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b03347 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Reddy, AB et al. Mikro- zu Nano- und von der Oberfläche zur Masse: Einfluss der Architektur und Dissoziation halogenfreier ionischer Flüssigkeiten auf die Schmierfähigkeit grüner Öle. ACS Sustain. Chem. Ing. 9, 13606–13617. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c04854 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Y.-L., Golets, M., Li, B., Sarman, S. & Laaksonen, A. Grenzflächenstrukturen der ionischen Flüssigkeit Trihexyltetradecylphosphonium-bis(mandelato)borat, eingeschlossen zwischen Goldelektroden. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 9, 4976–4987. https://doi.org/10.1021/acsami.6b14429 (2017).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Hjalmarsson, N. et al. Wiegen der Oberflächenladung einer ionischen Flüssigkeit. Nanoskala 7, 16039–16045. https://doi.org/10.1039/C5NR03965G (2015).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Li, H., Endres, F. & Atkin, R. Einfluss der Alkylkettenlänge und der Anionenspezies auf die Grenzflächennanostruktur ionischer Flüssigkeiten an der Grenzfläche zwischen Au(111) und ionischer Flüssigkeit als Funktion des Potentials. Physik. Chem. Chem. Physik. 15, 14624–14633. https://doi.org/10.1039/C3CP52421C (2013).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Li, H., Wood, RJ, Endres, F. & Atkin, R. Einfluss der Alkylkettenlänge und der Anionenspezies auf die Struktur der ionischen Flüssigkeit an der Graphitgrenzfläche als Funktion des angelegten Potentials. J. Phys. Kondensiert. Matter 26, 284115. https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/28/284115 (2014).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Li, H., Rutland, MW & Atkin, R. Ionische Flüssigkeitsschmierung: Einfluss von Ionenstruktur, Oberflächenpotential und Gleitgeschwindigkeit. Physik. Chem. Chem. Physik. 15, 14616–14623. https://doi.org/10.1039/C3CP52638K (2013).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Atkin, R. et al. Struktur und Dynamik der Grenzflächenschicht zwischen ionischen Flüssigkeiten und Elektrodenmaterialien. J. Mol. Liq. 192, 44–54. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2013.08.006 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Carstens, T. et al. Kombinierte STM-, AFM- und DFT-Untersuchung der hochgeordneten Grenzfläche zwischen pyrolytischem Graphit und 1-Octyl-3-methylimidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid. J. Phys. Chem. C 118, 10833–10843. https://doi.org/10.1021/jp501260t (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Cooper, PK, Li, H., Rutland, MW, Webber, GB & Atkin, R. Tribotronische Reibungskontrolle in ölbasierten Schmiermitteln mit ionischen Flüssigkeitsadditiven. Physik. Chem. Chem. Physik. 18, 23657–23662. https://doi.org/10.1039/c6cp04405k (2016).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Li, H., Rutland, MW, Watanabe, M. & Atkin, R. Grenzschichtreibung von Solvat-Ionenflüssigkeiten als Funktion des Potentials. Faraday-Diskussion. 199, 311–322. https://doi.org/10.1039/C6FD00236F (2017).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Sweeney, J. et al. Kontrolle der nanoskaligen Reibung an Gold in einer ionischen Flüssigkeit durch eine potenzialabhängige ionische Schmiermittelschicht. Physik. Rev. Lett. 109, 155502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.155502 (2012).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Li, H., Wood, RJ, Rutland, MW & Atkin, R. Ein ionisches Flüssigkeitsschmiermittel ermöglicht das Einschalten der Superschmierfähigkeit vor Ort mithilfe eines elektrischen Potentials. Chem. Komm. 50, 4368–4370. https://doi.org/10.1039/C4CC00979G (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y., Rutland, MW, Luo, J., Atkin, R. & Li, H. Potentialabhängige Superschmierfähigkeit ionischer Flüssigkeiten auf einer Graphitoberfläche. J. Phys. Chem. C 125, 3940–3947. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c10804 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Fajardo, OY, Bresme, F., Kornyshev, AA & Urbakh, M. Elektroabstimmbare Reibung mit ionischen Flüssigkeitsschmiermitteln: Wie wichtig ist die molekulare Struktur der Ionen? J. Phys. Chem. Lette. 6, 3998–4004. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b01802 (2015).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Fajardo, OY, Bresme, F., Kornyshev, AA & Urbakh, M. Elektroabstimmbare Schmierfähigkeit mit nanoskaligen Ionenflüssigkeitsfilmen. Wissenschaft. Rep. 5, 7698. https://doi.org/10.1038/srep07698 (2015).

Artikel PubMed CAS PubMed Central Google Scholar

Di Lecce, S., Kornyshev, AA, Urbakh, M. & Bresme, F. Elektroabstimmbare Schmierung mit ionischen Flüssigkeiten: Die Auswirkungen der Kationenkettenlänge und der Substratpolarität. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 12, 4105–4113. https://doi.org/10.1021/acsami.9b19283 (2020).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Sheehan, A. et al. Schichtung ionischer Flüssigkeiten auf rauen Oberflächen. Nanoskala 8, 4094–4106. https://doi.org/10.1039/C5NR07805A (2016).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Dold, C., Amann, T. & Kailer, A. Einfluss elektrischer Potentiale auf die Reibung von durch eine ionische Flüssigkeit geschmierten Schleifkontakten. Physik. Chem. Chem. Physik. 17, 10339–10342. https://doi.org/10.1039/C4CP05965D (2015).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Yang, Tribol. Lette. 56, 161–169. https://doi.org/10.1007/s11249-014-0394-0 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Amann, T., Dold, C. & Kailer, A. Mögliches kontrolliertes tribologisches Verhalten wasserbasierter ionischer Flüssigkeiten. Schlüssel-Ing. Mater. 674, 250–256. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.674.250 (2016).

Artikel Google Scholar

Gatti, F. et al. Auf dem Weg zur programmierbaren Reibung: Steuerung der Schmierung mit ionischen Flüssigkeitsmischungen durch automatisierte elektrische Regelung. Wissenschaft. Rep. 10, 17634. ​​https://doi.org/10.1038/s41598-020-74709-2 (2020).

Artikel PubMed CAS PubMed Central Google Scholar

Registrierungsdossier – Echa. Webseite https://echa.europa.eu/registration-dossier/-/registered-dossier/15908/5/3/2. Zugriff am 26. August 2021.

Shimpi, MR, Rohlmann, P., Shah, FU, Glavatskih, S. & Antzutkin, ON Anionischer Übergangskomplex in ionischer Flüssigkeit Trihexyl(tetradecyl)phosphonium-bis(oxalato)borat – überarbeitet. Physik. Chem. Chem. Physik. 23, 6190–6203. https://doi.org/10.1039/D0CP05845A (2021).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Johnston, GJ, Wayte, R. & Spikes, H. Die Messung und Untersuchung sehr dünner Schmiermittelfilme in konzentrierten Kontakten. Tribol. Trans. 34, 187–194. https://doi.org/10.1080/10402009108982026 (1991).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die schwedische Stiftung für strategische Forschung (Projekt EM16-0013), die Knut und Alice Wallenberg-Stiftung (Projekt KAW2012.0078), der schwedische Forschungsrat (Projekt 2018-05017), die schwedische Energieagentur (Projekt 51684-1) und Vinnova ( Projekt 2020 03801) danken wir für die finanzielle Unterstützung. Dr. Manishkumar Shimpi (Luleå University of Technology) wird für die Synthese der ionischen Flüssigkeit gedankt. Wir danken auch der Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO) für die Bereitstellung von Strahlzeit und technischer Unterstützung, insbesondere Dr. Andrew Nelson, der der Strahlwissenschaftler war, als die NR-Daten im Rahmen einer größeren Studie über ILs gewonnen wurden. Wir danken außerdem Dr. Olivier Renier (Universität Stockholm), Brando Adranno (Universität Stockholm) und Sichao Li (KTH) für ihre Unterstützung bei NR-Experimenten. Die Autoren danken Dr. Michael Moir (National Deuteration Facility, ANSTO) sehr für die Herstellung des deuterierten 2-EHL-Materials, das in den Neutronenreflexionsexperimenten (NR) verwendet wird. Die National Deuteration Facility wird teilweise durch die National Collaborative Research Infrastructure Strategy (eine Initiative der australischen Regierung) unterstützt.

Open-Access-Finanzierung durch das Royal Institute of Technology.

System- und Komponentendesign, Abteilung für Maschinendesign, KTH Royal Institute of Technology, 100 44, Stockholm, Schweden

Akepati Bhaskar Reddy & Sergei Glavatskih

Abteilung für Oberflächenchemie und Korrosionswissenschaft, Abteilung für Chemie, KTH Royal Institute of Technology, 100 44, Stockholm, Schweden

Georgia A. Pilkington und Mark W. Rutland

Labor für Tribologie und Systemdynamik, Ecole Centrale de Lyon, 69134, Ecully, Frankreich

Mark W. Rutland

School of Chemistry, University of New South Wales, Sydney, NSW, 2052, Australien

Mark W. Rutland & Sergei Glavatskih

Abteilung für Elektromechanik, System- und Metalltechnik, Universität Gent, 9052, Gent, Belgien

Sergej Glavatsky

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ABR entwarf und fertigte die Testausrüstung, ABR entwarf und führte die Experimente durch und führte die Analyse durch, GAP führte Neutronenreflexionsexperimente und entsprechende Analysen durch. ABR hat den ersten Entwurf des Manuskripts geschrieben. SG und MWR konzipierten und überwachten die Forschung. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und trugen zur Durchsicht und Bearbeitung des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Mark W. Rutland oder Sergei Glavatskih.

SG ist Inhaber der Patente SE 535676 und JP 5920900.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Reddy, AB, Pilkington, GA, Rutland, MW et al. Die tribotronische Steuerung einer ionischen Grenzschicht im Operando erweitert die Grenzen der Schmierung. Sci Rep 12, 20479 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22504-6

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Eingegangen: 02. Mai 2022

Angenommen: 17. Oktober 2022

Veröffentlicht: 28. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22504-6

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