オペランドのイオン境界層のトライボトロニクス制御が潤滑の限界を拡張

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20479 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

生分解性油の添加剤として使用される非ハロゲン化オルトホウ酸ホスホニウムイオン液体の潤滑に対する電位の影響が研究されました。社内のトライボトロニックシステムは、回転する鋼球と回転するシリカコーティングされたガラスディスクの間の潤滑剤膜の厚さを測定するように設計された機器を中心に構築されました。鋼球とカスタマイズされた対電極のセットの間に電界を印加すると、明らかに潤滑膜の厚さの変化が引き起こされました。負の電位では顕著に減少し、正の電位では増加しました。相補的な中性子反射率の研究により、吸着質の固有の電気応答性が実証されました。これは、金でコーティングされたシリコンブロック上で実施され、油を重水素化することによって同じ潤滑剤システム内で可能になりました。この結果は、アニオンが鋼表面の吸着膜のアンカーとして機能し、厚くて丈夫な潤滑イオン境界膜の形成に役立っていることを示しています。電気化学的窓の外側で高い正の電位を印加すると、膜厚が大幅に増大し、イオン多層の形成が示唆され、沖合の風力や波などのアクセスできない機械の故障した接点を遠隔制御できる可能性が実証されました。電力設備。

摩擦を克服し、機械の摩耗に関連した故障に対処するために消費されるエネルギーは、世界のエネルギー消費に大きく貢献しています (2017 年には 23% と推定)1。機械部品の摩擦と摩耗を軽減することを目的とした新しい表面、材料、潤滑技術の開発に重点を置いたトライボロジー研究は、エネルギー消費と排出量を削減する大きな可能性があると予測されています1,2。持続可能な潤滑の観点から、研究のほとんどは、機械の効率と信頼性の向上に役立つ、環境的に許容可能な潤滑剤の開発に向けられています3。最新の機械はますます小型化（出力密度の向上のため）し、電動化が進むにつれて、潤滑システムに対する機能上の要求も高まっています。これは、トライボトロニクスなどの新しい代替潤滑コンセプトにつながります。

トライボトロニクスはトライボロジーとエレクトロニクスを融合したもので、摩擦や摩耗などの損失出力をその場で制御することで機械の効率と耐久性を向上させることを目的としています4。トライボトロニックシステムには、トライボロジー接点、センサー (摩擦、振動、温度などを監視)、アクチュエーター、および制御ユニットが含まれます4。イオン液体 (IL) は、特定の公称温度 (通常 100\(^\circ\)C)5 よりも低い融点を持つ有機塩として定義され、そのイオン性によりトライボトロニック作動システムの有力な候補として浮上しています。 IL はまた、温度、圧力、電場などの外部要因の影響下でイオンのダイナミクスが変化する能力も示します6。

良好な潤滑特性は、純粋な潤滑剤として IL によって実証されており 7、8、9、10、11、12、13、場合によっては完全に配合された潤滑油を上回る性能を発揮します 10、11、14。潤滑油添加剤としての用途に向けて、油溶性 IL を合成し、摩擦学的に評価する研究努力も行われています 15、16、17、18、19、20、21、22、23、24。これらの IL の一部は、ZDDP17 に匹敵する耐摩耗性能を示し、一緒に使用すると相乗効果も発揮します25。帯電した表面に対する IL の表面活性が、秩序ある境界膜の形成をもたらすことが実証されています 6、26、27、28、29、30。これらの非犠牲膜は、摩擦を軽減し、接触分離を維持するのに役立つことが示されています 31,32。最も広く入手可能な IL は化学用途を目的としていたため、その構造には加水分解により有毒で腐食性のハロゲン化物を形成する傾向のあるハロゲンが含まれています 33、34、35、36。この問題に対処するために、ホウ素およびリンベースの非ハロゲン化 IL が潤滑研究用に設計されています 37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47。

イオン種の分子構造と油中でのそれらの解離の程度は、イオン境界層の形態を支配する可能性があります48。オイル中で高度に解離した IL は、より構造化された堅牢なイオン境界層を形成し、それによってオイルの潤滑性が向上します 48。電位を通じて界面層に変化を引き起こし、それによってトライボトロニック制御を達成する可能性を評価するために、幅広い科学的手法が導入されてきました。中性子反射率（NR）実験では、極性溶媒に分散させたトリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス（マンデラート）ボレート（P-BMB）ILによって金電極上に形成された界面層が、層の厚さとイオン組成の観点から印加された電位に応答することが示されています26。 27. かなり拡散した（かなりの数の溶媒分子を含む）界面層において、正の電位はアニオン濃度を増加させ、負の電位はカチオン濃度を増加させた。同じ純粋な IL について、中性電極と帯電電極でのイオン構造の原子分子動力学シミュレーションにより、表面電荷によって引き起こされるイオン濃度の変化と、界面層の分子配向が明らかになりました 49。電気化学水晶微量天秤 (QCM) による純粋な IL、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロホスフェートの金電極上の表面電荷の重量測定により、電気化学的水晶微量天秤 (QCM) による陽イオン対陰イオン比の電位による変化も明らかになりました。電極表面５０．

原子間力顕微鏡 (AFM) を使用した法線力曲線の測定により、電位によって誘起される界面構造の性質がイオン構造に依存することが示されました 51,52。小さな陰イオンは、正電位でのより良好なパッキングを促進します51。表面に強く結合したイミダゾリウム環または長いアルキル鎖（疎溶媒性相互作用を強化）を備えたカチオン構造は、負の電位でより効率的な構造化を促進することが示されています51,52。 AFM 研究により、電位によって誘発される強力で効率的な界面構造が低摩擦をもたらすことが明らかになりました 27,53。滑り速度が摩擦に及ぼす影響は、明確に定義された滑り面の形成によるこの強力な界面層によって軽減されます53。高電位では、表面電位を中和するための多層イオン構造の形成も報告されています 54,55。溶媒中に分散した IL の電気応答の強度はバルク IL 濃度に依存しますが、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウムビス(2,4,4-トリメチルペンチル)ホスフィネート (P-BMPP) IL 濃度では無視できる電気応答が観察されます。モデル溶媒中の 5 mol % 未満 - ヘキサデカン 56。 NR 研究では、バルク IL 濃度の増加により界面層のイオン濃度が増加し、それによって電気応答が強化されることも示されています 27。 AFM 研究では、境界層内の電位誘起イオン配置と、その結果として生じる摩擦応答も基板材料の性質によって変化することが示されています 57。一部の IL は、摩擦を劇的に変化させ 58,59,60、電位を印加すると「超潤滑性」59,60 を生成することさえ報告されています。これらの発見は、荷電表面上のナノスケール IL 膜の非平衡分子動力学シミュレーションによっても裏付けられています 61、62、63。

AFM 研究や NR や QCM などの表面感度分析技術は、金、グラファイト、雲母などの滑らかな基板上の IL の電気応答を評価します。しかし、これらの結果は、粗い表面によって形成されるマクロスケールのトライボロジー接触に直接適用することはできません64。マクロトライボロジー接触に関する限られた研究では、印加電位による IL 摩擦挙動の変化が実証されています 65,66,67。電気インパルスの印加による 2 つの IL の混合物の摩擦応答の永続的な変化も報告されています 68。しかし、これらの研究は、現場でのトライボロジー制御を備えたシステムの開発にとって重要である、潜在的なバイアスの変化に伴うトライボロジー性能の可逆性の証拠を提供していません。

ここでは、生分解性油 (ラウリン酸 2-エチルヘキシル: 2EHL) に非ハロゲン化 IL、トリヘキシル(テトラデシル) ホスホニウムビス(オキサラト)ボレート (P-BOB) を添加して形成される潤滑膜の電気応答を研究しました。自社開発のトライボトロニックシステム。この IL は、低濃度の添加剤 (1% wt.) として使用すると、厚くて丈夫な非犠牲吸着イオン境界膜を形成し、オイルの潤滑性を高めます 48。

この研究で使用した基油と IL の分子構造を図 1 に示します。基油、ラウリン酸 2-エチルヘキシル: 2EHL (Dehylub® 4003、Emery Oleochemicals GmbH) は容易に生分解性です (1 時間で 91.7% 生分解)。 28 日間の期間 69) 低粘度 (40\(^\circ\)C で 4-6 cSt) の合成エステル。

トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウムカチオン (a); ビス（オキサラト）ボレート（BOB）アニオン（b）; 基油、ラウリン酸 2-エチルヘキシル (2EHL) (c)。

この研究で使用した IL は、トリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス(オキサラト)ボレート (P-BOB)70 でした。 P-BOB は、2EHL48 の低濃度 (1% w/w) 添加剤として使用すると、堅牢な摩擦と摩耗を軽減するイオン境界膜を形成することが示されています。この研究はまた、ＩＬが少なくとも１０％ｗ／ｗ濃度まで２ＥＨＬ中で混和性であることを示した。

NR およびナノトライボロジーの実験により、IL 境界層の組成と範囲は濃度に依存し、高い IL 濃度では明確な電気応答変化が観察される可能性があることが示されました 27。したがって、明確な電気応答効果を得るために、2EHL 中の 5% w/w の IL 濃度が実行されました。イオン溶液を調製するために、秤量した成分 (2EHL と P-BOB) を合わせて振盪し、その後 40\(^\circ\)C で 1 時間加熱し、その後 10 分間超音波処理しました。

弾性流体力学 (EHD) 接触における中心膜の厚さは、英国の PCS Instruments の EHD2 テストリグを使用して測定されました。 EHD2 は、光干渉法を使用して、スチールボール (直径 3/4 インチ) とシリカスペーサー層でコーティングされたガラスディスクの間の超薄膜の厚さを ± 1 nm の不確かさで測定します71。ボールとディスクは個別に回転して、必要なエントレインメント速度とスライドロール比 (SRR)。

2 電極セットアップを備えた改良型 EHD2 の回路図。ポテンショスタット (a) の作用電極 (WE) は、スリップリング本体 (c) およびスリップリングブラシ (d) を介してボール駆動シャフト (b) に接続されています。ドライブシャフトはさらに、コイル状ワイヤ (f) を介してボール (e) に電気的に接続されています。ドライブシャフトは、セラミックベアリング (図示せず) の使用により、装置の残りの部分から電気的に絶縁されています。セットアップの対極 (CE) は、ボールの両側にある 2 つのステンレス鋼ブロック (g) で構成されます。ブロックの内面は球面になっており、各 CE とボール表面との間に約 0.5 mm の隙間があります (挿入図)。これらのブロックは、ボールキャリッジ (i) に組み込まれたフレーム (h) によって所定の位置に保持されます。このフレームは、ボールが載る 3 つのベアリング形状 (電気絶縁用のセラミックベアリング) で構成されています。 PTFE のストリップ (図示せず) がブロックをフレームから電気的に絶縁します。ブロックは、一組のワイヤ (j) を使用してポテンショスタット CE 端子に接続されます。ボールキャリッジは垂直方向に移動して、ボールとガラスディスク (k) の間に必要な接触荷重を取得します。 (Solidworks 2019、ダッソー・システムズ、https://www.solidworks.com/ で入手可能)。

EHD2 テスト装置は、トライボトロニックシステムを組み込むように改造されました。設定変更の概略図を図 2 に示します。この設定では、参照電極 (RE) と対向電極 (CE) をジャンプさせた 2 電極設定を使用します。鋼球は作用電極 (WE) でした。対極は、ボールの両側に配置された 2 つのステンレス鋼 (AISI 304) ブロックで構成されていました。ブロックは球状の内面を有しており、約 0.5 mm の電極ギャップ (WE と CE の間) が可能でした。ブロックはボール軸に垂直な平面上に配置され、回転中にボール接触トラック (トライボトラック) が WE と CE の間に生成される電界を継続的に通過できるようにしました。試験溶液は、CE ブロックが浸るまで満たされました。電極間に電位を印加するために、Metrohm Autolab (PGSTAT204) ポテンシオスタットを使用しました。テスト中、電極間に印加された電位と電流が継続的に監視されました。

各実験の前に、試験サンプルであるガラスディスクとスチールボールをヘプタンとイソプロパノール中でそれぞれ 30 分間超音波処理しました。ボールキャリッジをヘプタンとイソプロパノールに連続して浸漬した。すべてのサンプルと付属品は、乾燥する前にエタノールで洗浄されました。 CE の球面は Kemet ダイヤモンドペースト (25 μm) を使用して研磨され、前のテスト中に堆積した有機残留物および電気化学的残留物が除去されました。実験は、40\(^\circ\)C の純粋な圧延条件 (0 % SRR) で実行されました (表 1)。

ファラデー現象の影響が最小限に抑えられる安全な電気化学ウィンドウを確立するために、溶液と電極のセットアップに対してサイクリックボルタンメトリー (CV) 測定が実行されました。これらの測定では、新鮮な 2EHL + P-BOB 溶液とサンプルを、上記と同じトライボトロニック設定で使用しました。電流応答は、100 mV/s のスキャン速度で、OCP から陽極方向に開始して電位を -2 ～ 2 V の間で循環させながら記録されました。

界面構造とその電気応答を評価するために、2EHL 中の P-BOB の 5% w/w 溶液について、さまざまな電位で金作用電極で電気化学的中性子反射率 (NR) 測定を実行しました。この技術は、バルク溶液、イオン種、基板の散乱長密度 (SLD) 間のコントラストを利用して、イオン境界膜の組成と厚さを調査します。基板として金を選択したのは、境界膜の微細な変化を捉えるためには、均質でほぼ原子的に滑らかな表面が必要であるためでしたが、これは容易には達成できません。この実験はオーストラリアのオーストラリア原子力科学技術機関 (ANSTO) で実施されました。実験手順、電気化学セルの構築、およびデータフィッティング方法論は他の場所で説明されています26。バルクと比較した金界面の違いを強調するために、適切な方法を使用して IL 混合物を金 SLD (\(4.56 \times 10^{-6}\) Å\(^{-2}\)) とコントラストを合わせました。水素化 2EHL と過重水素化 2EHL の比率。 2 層の界面モデルが反射率曲線に最適に適合することがわかりました。

100 および 30 mm s\(^{-1}\) のエントレインメント速度における 2EHL + 5% P-BOB 溶液の中心膜厚の電気応答。印加電位は30分ごとに変化させた。図の下部は、印加された電位に対応する電流トレースを示しています。

トライボトロニック膜厚実験は、「方法」セクションで説明した実験および電気化学セットアップを使用して、2EHL + 5% P-BOB 溶液に対して実行されました。フィルムの厚さは、一定の巻き込み速度と荷重で測定されました。図 3 は、2 つの異なる同伴速度 (100 および 30 mm s-1) における溶液の電気応答膜厚プロットを示しています。図の下部は、それぞれ 30 分間印加された電位に対応する電流トレースを示しています。これらの印加電位は、サイクリックボルタンメトリー (CV) によって確立された、-1 ～ + 0.5 V の電気化学的ウィンドウ内でした。 CV スキャン (図 4) は、約 + 1.25 V で酸化ピークを示しますが、約 + 0.75 V までは直線的です。スキャンされた電位 (-2 ～ + 2 V) 内では還元ピークは達成されませんが、したがって、確立された電気化学的範囲内では、ファラデープロセスの影響は最小限であると予想されます。

2EHL + 5% P-BOB 溶液の場合、+ 2 ～ - 2 V の間で 4 回連続 CV スキャンを行い、最初のスキャンは OCP (約 + 0.1 V) で開始します。

純粋な2EHLオイルは電気応答性を示さない一方で（補足図S2）、2EHL + P-BOB溶液の膜厚は、両方の同伴速度で印加電位に強く反応しました（図3）。 0 V では、一貫した膜厚が観察されます。膜厚の大きさは、厚い初期膜のない、開回路（OC）条件（補足図S1）の安定した膜厚のレベルに対応します。システムの開回路電位 (OCP) がわずかに正 (\(\ほぼ\) + 0.1 V) であるとすると、0 V を印加すると境界層の吸着と構造がわずかに変化するはずです。これは、このステップ中に測定された小さな負の電流によって確認されます（0 Vステップ中の電流トレースの拡大プロットを補足図S3に示します）。ただし、この電位における境界膜の絶対組成を決定することはできません。

負の電位では、境界膜とバルクとの間でイオン交換が起こり、境界膜内のカチオン密度が増加すると予想されます。このような負の電位が印加されると、負の電位の大きさに応じて膜厚が徐々に減少することが観察された。これは、カチオンの豊富な境界膜が効率的に吸着せず、したがって連続的な回転条件に耐えられないことを示唆しています。さらに、膜厚は 2EHL オイルの初期膜厚レベルに向かって徐々に低下しているようであり (補足図 S1)、イオン境界膜が徐々に消耗するという仮説を裏付けています。この膜は、界面膜がアニオンに富んでいると予想される場合、正の電位を印加することによって容易に復元された。これは、アニオンがイオン境界膜の耐荷重能力を決定するのに役立っていることを示しています。 4 つの界面活性カルボニル基を持つアニオンは、0 V および正電位で強力な吸着膜を形成するためのアンカーとして機能します。対照的に、負の電位では、境界膜内のアニオン濃度が減少し、その結果、境界膜のアンカー能力が失われます。最後の 0 V ステップ (120 ～ 150 分) で膜厚の緩やかな回復と安定化が観察され、耐荷重能力の一部を回復するために界面膜が再構成されたことを示唆しています。ただし、より実質的な膜厚の回復には、より強い正の電位バイアスが必要となります。電流トレースは、電位変化の瞬間にスパイクを示し、その後、低いが有限の電流値に収束します。これは、電位バイアスの変化に伴う重大なイオンの移動と再構成を示唆しています。また、これらの膜厚データは、開回路膜厚と比較してばらつきがはるかに小さいことも観察できます（補足図S1）。これは、制御され明確に定義された界面構造を示唆しています。これらの結果は、オイル + IL 溶液の電気化学窓内の電位の変化による潤滑剤膜厚のその場制御可能性を示しています。これにより、接点離れを制御することができる。これらの実験は鋼球表面の吸着膜の改質に焦点を当てていますが、測定された潤滑膜にはガラスディスクのシリカ表面に吸着された境界膜も含まれていることは注目に値します。その性質と電荷蓄積の影響シリカ表面については不明です。

(a) 異なる印加電位でのコントラスト一致 2EHL + 5% P-BOB の NR 反射率曲線。わかりやすくするために、曲線は Y 軸でオフセットされています。記号は実験データを表し、実線はデータに最もよく適合します。挿入図: 0 V 曲線に対する非ゼロ電位 NR 曲線の変化を強調した非対称プロット。 (b) NR データへの最良の適合から得られた SLD プロファイル (金/溶液界面で z = 0)。

イオン境界膜の電気応答性は、中性子反射率実験によってテストされています。サブナノメートルの粗さを持つ金の表面は中性子で調べることができ、電場に対する応答を測定できます26、27、28。図5aは、トライボロジー実験と同じ油溶液中での中性子反射率実験を示しています。プロファイル内のキーッシグ縞の存在は、バルク液体とは異なる散乱長密度 (SLD) を持つ表面上の明確な境界層を示しています 26。このイオン豊富な層の当てはめられた SLD プロファイル (中性子の屈折率に若干似ています) (図 5b) は、層の厚さと組成を明らかにします。最良の適合は、バルクとは区別できるがイオン含有量がはるかに低い第 2 領域を含む、明確な界面層を意味します。電位を印加すると、界面層に測定可能な変化が見られ、0 V の場合に比べて薄くなり、より鮮明になります。+ 0.25 V の場合と比較して、-1 V の界面層の SLD が低いことは、界面層の SLD が低いことを示しています。比較的高いカチオン密度（カチオンの SLD がアニオンよりもはるかに低いため）。基板が異なるため (25 cm\(^2\) の必要な領域にわたって Å の粗さと均一な組成を備えた鋼表面を得るという課題は、この研究には大きすぎると考えられました)、正確な結果は期待できません。挙動とトライボロジー表面上の挙動との一致。しかし、幅広い特徴は非常に思い出深いものです。まず、ナノメートルスケールで明確に定義されたイオンリッチな境界層が明確に形成されています。第二に、層の組成と厚さは電位に応じて変化します。

高電圧（− 1.5 および + 1.5 V: 電気化学窓の外側）を印加した 2EHL + 5% P-BOB 溶液の中心膜厚に対する電気応答。電位は 30 分ごとに変更され、最初の 2 つの電位変化は電気化学的ウィンドウ内にありました。プロットの下部には、印加された電位に対応する電流トレースが表示されます。挿入図は、高電位を長時間印加した同じテストの続きからの抜粋を示しています (+ 1.5 V を 2 時間、続いて - 1.5 V を 1 時間)。

確立された電気化学窓の外側の電位の影響を決定するために、トライボトロニック EHD セットアップで追加のテストが実施されました。図 6 は、高い電位を含む膜厚のプロットを示しています。最初の 2 つの電位変化は電気化学的範囲内でした。続いて、-1.5 V と + 1.5 V を連続的に印加しました。－ 1.5 V の電位は、「低い」負の電位と同様の応答を示しました。 + 1.5 V に切り替えると (120 ～ 150 分)、膜厚は劇的に (約 14 nm) 増加し、30 分の電位印加期間内では定常状態に達しないように見えます。「高い」正の電位は大規模なイオンの再組織化を引き起こし、その結果アニオンに富んだ多層界面構造が形成され、非常に厚い潤滑膜が形成されると考えられます。特に、より高い電位を印加すると膜厚がほぼ瞬時に回復します。これは、トライボロジーシステムを救済するための「赤いボタン」アプローチの前提条件です。しかし、この電位では、WE 上でファラデー酸化反応が発生し、その結果として酸化生成物が蓄積する可能性を排除することはできません。続いて - 1.5 V を印加すると、前の - 1.5 V ステップと比較してわずかに高いレベルではあるものの、膜厚が減少します。この差 (\(\おおよそ\) 2 nm) は、前の + 1.5 V ステップ中のファラデー反応の影響の推定値を提供する可能性があり、反応生成物は 30 分間の全体的な膜厚増加に対してわずかな寄与しかないことを示唆しています。 + 1.5 V の印加電位。「高」電位の印加による定常状態の膜厚を評価するために、これらの電位をより長時間印加してテストを継続しました（+ 1.5 V を 2 時間、続いて -1.5 V を 1 時間）。この拡張テストからの膜厚データの一部を図 6 挿入図に示します。ここでは、+1.5 Vによる膜厚が非常に高いレベル(\(\約\) 30 nm)で安定していることが観察されました。続いて印加される負の電位は、膜厚を減少させながら、前の - 1.5 V ステップ (\(\およそ\) 14 nm) と比較して、はるかに高いレベル (\(\およそ\) 20 nm) に収束するように見えます。 2 つの − 1.5 V ステップの膜厚レベルの差 (20 nm − 14 nm = 6 nm) も、その前の 2 つの + 1.5 V ステップ中の膜厚レベルの差 (30 nm − 25 nm = 6 nm) とよく相関しています。 5nm）。これは、「高い」正電位に長時間さらされると、ファラデー酸化反応による膜厚への非可逆的な寄与がより顕著になることを示唆しています。これらの結果は、IL を使用したトライボトロニクスシステムの設計に有望なアプローチを提供します。さらに、劣化した潤滑は、電位を短時間印加することで表面に保護多層膜の形成を引き起こすことで回復できる可能性があります。

一部の IL の自己組織化特性と、外部からの電気的作動によって界面層を変更できる機能により、IL はトライボトロニクスシステムの開発にとって魅力的な選択肢となっています。ホスホニウムオルトホウ酸塩 IL を添加剤として含む生分解性オイルで潤滑されたマクロスケールのトライボロジー接触の電気応答性研究を通じて、潤滑剤の膜厚、ひいては接触分離に外部から影響を与える可能性があることを実証しました。電位を印加すると、イオン境界膜と弾性流体力学膜からなる潤滑膜の厚さに顕著な系統的な変化が観察されました。負の電位にあるカチオンが豊富な境界膜は表面に弱く吸着され、膜厚が徐々に減少することがわかりました。フィルムの厚さは正の電位で容易に回復しました。これは、アニオン上の極性カルボン酸基が、強く吸着されたイオンフィルムの形成におけるアンカーとして機能することを示しています。金のNR実験では、電位を印加した際の界面でのイオン増強と相対的なカチオン/アニオン密度の変化が明らかになり、電場が表面構造を変化させるという主張を裏付けた。ナノトライボロジーはトライボトロニクスの概念を長い間検証してきましたが、これらの結果は、IL界面構造の電気応答性が潤滑性のオペランド制御のためにマクロスケールのトライボロジー接触に実装できることを示しています。

IL は一般に、トライボトロニクスの概念を可能にする広い電気化学ウィンドウを備えています。私たちが今明確に示したように、この枠内では、妥当な時間スケールで大幅な変更を達成することができます。それにもかかわらず、この電気化学的ウィンドウを超えることにより、より大きな、しかしかなり控えめな電圧を印加すると、劇的な変化が誘発される可能性があり、これもより速くなります。電流が低いため、電気的損傷は、特に潤滑不良の接点による同等の損傷と比較すると無視できる程度であると推定されます。この発見により、状態監視によるトライボトロニクスシステムによる潤滑レスキューの可能性がもたらされました。潤滑の劣化が検出されると、電気化学的窓の外側で高電位を短時間バーストして、厚い表面保護多層イオン膜を形成することができます。電気化学反応生成物による膜厚への寄与を完全に排除することはできませんが、それでも、これは、ZDDP などの従来の潤滑剤添加剤の化学分解による有益な摩擦膜の形成と同様のプラスの役割を果たす可能性があります。したがって、IL は電気的にアドレス指定可能な吸着膜を提供するだけでなく、電気用途や放電浸食の防止にも利点があるだけでなく、遠隔操作可能な「赤いボタン」レスキュー機能も提供します。このような遠隔制御に対する緊急のニーズは、アクセスできない洋上風力発電施設や波力発電施設、さらには航空宇宙用途でもあります。

この記事の基礎となるデータは、合理的な要求に応じて責任著者に共有されます。

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スウェーデン戦略研究財団 (プロジェクト EM16-0013)、クヌートおよびアリスワレンバーグ財団 (プロジェクト KAW2012.0078)、スウェーデン研究評議会 (プロジェクト 2018-05017)、スウェーデンエネルギー庁 (プロジェクト 51684-1)、および Vinnova ( Project 2020 03801) の財政的支援に感謝いたします。 Manishkumar Shimpi 博士 (ルレオ工科大学) には、イオン液体の合成について感謝の意を表します。また、ビームタイムと技術支援を与えてくれたオーストラリア原子力科学技術機関（ANSTO）、特にILに関する大規模研究の一環としてNRデータが取得された際のビーム科学者であるアンドリュー・ネルソン博士に感謝する。また、NR 実験にご協力いただいた Olivier Renier 博士 (ストックホルム大学)、Brando Adranno (ストックホルム大学)、Sichao Li (KTH) にも感謝します。著者らは、中性子反射率 (NR) 実験で使用される重水素化 2-EHL 材料を製造してくださった Michael Moir 博士 (国立重水素化施設、ANSTO) に非常に感謝しています。国立重水素化施設は、国家共同研究インフラ戦略 (オーストラリア政府の取り組み) によって部分的に支援されています。

王立工科大学が提供するオープンアクセス資金。

システムおよびコンポーネント設計、機械設計学部、KTH 王立工科大学、100 44、ストックホルム、スウェーデン

アケパティ・バスカー・レディ & セルゲイ・グラヴァツキー

KTH 王立工科大学化学部、表面化学および腐食科学部門、100 44、ストックホルム、スウェーデン

ジョージア・A・ピルキントン＆マーク・W・ラトランド

Laboratory of Tribology and Dynamics of Systems、Ecole Centrale de Lyon、69134、エキュリー、フランス

マーク・W・ラトランド

ニューサウスウェールズ大学化学学部、ニューサウスウェールズ州シドニー、2052、オーストラリア

マーク・W・ラトランド＆セルゲイ・グラヴァツキー

ゲント大学電気機械・システム・金属工学科、9052、ゲント、ベルギー

セルゲイ・グラヴァツキー

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ABRは試験装置を設計および製造し、ABRは設計および実験および分析を実施し、GAPは中性子反射率実験および対応する分析を実施した。 ABR は原稿の初稿を書きました。 SG と MWR が研究を発案し、監督しました。著者全員が結果について議論し、原稿のレビューと編集に貢献しました。

マーク・W・ラトランドまたはセルゲイ・グラヴァツキーへの通信。

SG は特許 SE 535676 および JP 5920900 を所有しています。

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転載と許可

AB 州レディ、ジョージア州ピルキントン、MW 州ラトランド他オペランドのイオン境界層のトライボトロニクス制御により、潤滑の限界が拡張されます。 Sci Rep 12、20479 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22504-6

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受信日: 2022 年 5 月 2 日

受理日: 2022 年 10 月 17 日

公開日: 2022 年 11 月 28 日

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

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オペランドのイオン境界層のトライボトロニクス制御が潤滑の限界を拡張