生物质燃油属于可再生清洁能源,有望作为发动机的化石替代燃料来使用。发动机燃油碳烟颗粒进入润滑油中后,会引起润滑油黏度的增长,磨损加剧,油泥增多和机油滤清器压降增大甚至堵塞,从而影响发动机系统的润滑和工作。而碳烟颗粒的表面特性与燃油的种类与组成相关。为此,本学位论文主要对生物质燃油碳烟(Biofuel Soot,简称BS)的表面结构、组成与形态特征加以表征,研究BS在润滑油中的分散和吸附性能及其对发动机的磨损性能的影响,以期促进和帮助生物质燃油在发动机上的应用。论文设计制作了一台碳烟颗粒捕集装置。通过该装置分别燃烧生物质燃油和0#柴油制备出BS和0#柴油碳烟(Diesel Soot,简称DS),并对它们的表面特性与理化性能进行了对比表征。在四球摩擦磨损试验机上考察了 BS对液体石蜡(Liquid Paraffin,简称LP,润滑油基础油的模拟物)摩擦学特性的影响。借助一系列分析手段研究了 BS和DS的表面形态、组成、结构及它们的摩擦磨损机理。用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)检测BS和DS中官能团,用X射线衍射仪(XRD)分析BS和DS微粒的物相,用Zeta电位仪分析BS和DS分散在正庚烷中的粒度分布和平均粒径,用拉曼光谱分析BS和DS石墨化程度,用扫描电子显微镜及附带能谱仪(SEM/EDS)测试旋转上球磨痕、BS和DS的形貌及元素组成,用场发射透射电子显微镜(HRTEM)分析BS颗粒内部结构及尺寸,X射线光电子能谱仪(XPS)分析旋转上球磨痕、BS和DS的表面元素化学价态和组成。结果表明,BS和DS是由平均粒径约38-40 nm的球形或近球形颗粒组成链状或簇状团聚体,颗粒组成以无定型碳为主,颗粒内部呈细微石墨乱层结构,且BS石墨化程度高于DS。BS和DS主要成份是氧和碳元素,二者表面均带有一些极性含氧官能团,但BS氧含量高于DS。BS在正庚烷溶剂中颗粒团聚体的平均粒径和粒度范围均小于DS。随着LP中BS含量的增加,最大无卡咬负荷(PB值)先增大后减小,平均磨斑直径(AWSD)呈线性增大,平均摩擦系数先稍微减小后逐渐增大。磨损机理分析显示,BS中较多的含氧官能团使BS在摩擦过程中易于吸附到摩擦面上,影响边界润滑膜的作用。同时BS的磨粒作用和腐蚀磨损作用使摩擦表面的金属氧化膜在摩擦过程中易脱落成磨粒而加剧了磨损。通过四球摩擦磨损试验考察了纳米稀土化合物在主动控制碳烟颗粒摩擦磨损特性方面的效果,探讨表面修饰的纳米氟化镧(nano-LaF3)颗粒在BS表面吸附行为对其摩擦学特性的影响。借助XRD分析nano-LaF3微粒的物相,用SEM/EDS分析磨斑形貌和摩擦表面元素组成,用XPS分析摩擦实验后的碳烟、摩擦表面元素化学价态和组成,以及发动机缸套材料表面静态吸附后的元素组成。结果显示,不管LP中是否存在nano-LaF3,AWSD随BS含量增大而增大。对含2.0 wt% BS的LP而言,nano-LaF3的最适当的添加量为0.6 wt%。Nano-LaF3能显著增强含BS颗粒的LP抗磨减摩性能,对PB值也有贡献。其机理主要是在摩擦过程中形成了含铁氧化物、镧及碳的边界润滑膜。同时nano-LaF3优先吸附BS,从而弱化了 BS对摩擦表面的腐蚀磨损。借助XPS、FTIR、全自动微孔物理吸附和化学吸附分析仪、Zeta电位仪、光学法接触角/界面张力仪对比分析了 BS和DS的表面特性,探讨碳烟颗粒表面特性对LP/BS和LP/DS体系黏度的影响。发现40℃时随着碳烟添加量增加,LP/BS和LP/DS体系的相对黏度均呈指数函数增加,相同碳烟含量下LP/DS体系的相对黏度更大。含碳烟4.8 wt%的LP/BS和LP/DS体系有明显剪切稀化,LP/DS体系的黏度受剪切转速的影响更大。BS和DS表面特性分析表明,二者表面均带有一些含氧官能团,但BS表面氧含量高于DS,BS比表面积小于DS,表面能低于DS,亲油性强于DS。从而导致DS在LP中比BS更易团聚,DS对油品黏度的影响大于BS。采用黏度法、粒径分布法及斑点实验法研究BS和DS在LP中的分散特性,以及无灰分散剂T154 (聚异丁烯丁二酰亚胺)对其分散性能的影响,借助FTIR和XPS分析了 T154对BS的分散机理。结果发现,在LP中T154对BS和DS的分散性均有良好的效果,但对BS的分散作用更好。T154亦可用作BS的分散剂在润滑油中使用。这是因为BS表面含有更多的羧基、酚羟基等酸性官能团,可与T154中显碱性的丁二酰亚胺基团发生酸碱作用,亦可与N-H单元产生氢键而吸附T154;同时,T154中聚异丁烯基团在LP中形成空间位阻,阻碍BS颗粒的团聚,从而使BS稳定地分散在润滑油中。采用黏度法、斑点实验法、静态沉降法及粒径分布法来考察三种钙盐清净剂(高碱值合成磺酸钙T106、高碱值硫化烷基酚钙T115B、烷基水杨酸钙T109)对BS在LP中分散性能的影响,并借助XPS和FTIR分析钙盐清净剂对BS的分散机理。结果发现,BS含量在4.8 wt%时,所有BS/钙盐清净剂/LP体系剪切稀化现象明显,呈非牛顿流体性质。同时,BS/T109/LP分散体系黏度最小,油泥斑点分散值最大,清液层高度下降率最大,在正庚烷中BS团聚体粒径范围和平均粒径最小,因此T109对BS在LP中分散作用最好。机理分析显示,BS颗粒表面含有羧基或羟基等含氧极性基团,可与清净剂的极性端通过氢键或酸碱作用吸附清净剂;同时,钙盐清净剂中亲油性好的烷烃链伸展在LP中形成空间位阻阻碍了 BS颗粒的团聚,从而起到分散BS的效果。