汽車制造商和潤滑油提供商認識到，煤煙是加劇引擎磨損并最終導致引擎故障的的有害物質。 研究人員希望，在對煤煙顆粒和聚集物的影響有了基本了解之后，制造商能提供更好的抗磨損保護并延長引擎壽命。

9月在意大利都靈召開的第五屆世界摩擦學大會上，來自法國埃居里里昂中央理工學院摩擦及系統動力學實驗室的 Fabrice Dassenoy 教授展示了他的團隊和全球性的添加劑公司潤英聯合作開展的研究項目成果。 在潤英聯的資助下，Dassenoy 教授和他的同事目前正就煤煙顆粒和聚集物的硬度和變形展開研究。

Dassenoy 教授解釋說，煤煙指的是碳氫化合物不完全燃燒產生的非純凈碳顆粒。 碳占到了煤煙顆粒總重量的 90% 以上。 單個的煤煙顆粒呈球形，直徑約為 20-30 微米，通常是在燃燒過程中熔聚在一起的聚合物。

Dassenoy 繼續說道，在汽車行業中，煤煙通常在發動機中的柴油燃料燃燒過程中產生。 盡管大部分煤煙會隨廢氣排出，一小部分仍會隨竄氣經過活塞環并通過較薄的吸收層。

“機油中的煤煙含量過高會導致低質量機油中的分散添加劑迅速失效，”Dassenoy 說， ““由于聚集物粘度過高，機油在流經發動機和機油濾清器時會受到阻礙，導致潤滑效果變差。”

“過量的煤煙會影響抗磨損潤滑油添加劑的性能、加劇磨損并加速引擎故障。”

Dassenoy 指出，現有文獻中已提出了多種磨損機制。 其中包括：

• ZDDP（二烷基二硫代磷酸鋅）分解產物的優先吸附；

• 金屬表面的抗磨損成膜減少和消失，導致金屬之間的直接接觸和煤煙磨損；

• 由于 ZDDP 和煤煙對金屬表面空間的爭搶，ZDDP 的表面覆蓋率下降；

• 煤煙聚集物導致的可泵性問題。

而 Dassenoy 和他的團隊主要致力于研究與磨粒磨損直接相關的煤煙顆粒硬度問題。

該研究的目標是研究煤煙顆粒和聚集物在機械應力（即壓縮和滑動）情況下的行為。 “他認為，要建立煤煙顆粒和相關磨損機制之間的聯系，最重要的是基本了解煤煙顆粒和聚集物在摩擦接觸中的行為模式。

研究人員使用配備納米壓痕儀的高分辨率透射式電子顯微鏡，操控亞納米級的煤煙顆粒，并在施加外部負載的同時記錄這些顆粒的機械性能。 實驗用到的納米壓痕傳感器配有截角鉆石頭。

透射式電子顯微鏡納米壓痕儀可實現壓縮過程實時成像，錄制影像并收集壓縮測試和滑動測試中的數據。 測試用到的煤煙顆粒提取自某項潤英聯重型柴油發動機測功器測試的曲軸箱，并經過凈化處理。

煤煙顆粒聚集物壓縮測試對端頭進行了 100 納米級位移控制壓縮，加載率為 5 納米/秒，最大作用力為 60 微牛頓。

研究人員發現，聚集物抗住了壓力并且沒有分解為原始煤煙顆粒。

在對單個煤煙顆粒的壓縮測試（對端頭進行 40 納米級位移控制壓縮，加載率為 2 納米/秒，最大作用力為 25 微牛頓）中，Dassenoy 在報告中稱：“顆粒的形狀稍有變化，但并不存在嚴重的結構破壞。” 煤煙顆粒可以承受相當高的彈性應力。”

在聚合物滑動測試中，Dassenoy 發現聚合物整體可以在接觸表面上滾動。 “滾動過程中沒有分離出煤煙顆粒。 “顆粒之間的粘附非常緊密，”他說，“發生滑動的情況非常少。””

在對單個煤煙顆粒的滑動測試中，顆粒滾動和滑動的情況均有發生。 “顆粒并沒有出現嚴重變形和擠壓。”Dassenoy 說，并補充說滑動測試再次顯示“煤煙顆粒可承受相當高的機械應力”。”

Dassenoy 的影像資料吸引了世界摩擦學大會與會觀眾的關注，形象生動地展示了納米級煤煙顆粒和聚集物輕微變形并恢復原始形狀，在受壓時并未發生結構損壞或擠壓，以及在滑動測試中像軸承塊一樣滾動的圖像。

Dassenoy 指出，最關鍵的是，這表明了他的團隊可以利用配備原位納米壓痕儀的高分辨率透射式電子顯微鏡，對 20- 30 微米的煤煙顆粒進行壓縮和滑動測試。 這使得他們可以研究煤煙顆粒聚集物以及單個煤煙顆粒在機械應力下的反應。

“聚集物和單個煤煙顆粒都具有抗負載力。 聚集物不會分解；煤煙顆粒之間有很強的附著力。”Dassenoy 說。 此外，研究還顯示了聚合物內部分可逆的顆粒聚集以及顆粒的彈性行為。

最后，他指出，該研究顯示聚集物和單個納米顆粒均能在接觸區滾動。 Dassenoy 說，下一步的研究將進一步模擬實際情況，并將使用摩擦膜。

這篇文章最早發表在 2013 年 12 月期的《Lubes’n’Greases Europe – Middle East – Africa》（第 54 期），標題為《抗擊煤煙絕非易事》(Soot is Tough Stuff)。”