智能監(jiān)控潤(rùn)滑劑對(duì)于機(jī)器的運(yùn)行至關(guān)重要，因?yàn)闄C(jī)器中關(guān)鍵動(dòng)態(tài)部件的意外和致命故障每天都會(huì)發(fā)生，威脅著人類的生命和健康。

　　受水摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的啟發(fā)，我們提出了一種可行的方法來(lái)制備自供電摩擦電傳感器，通過(guò)油固接觸(O-S TENG)的接觸起電過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油。可以成功監(jiān)測(cè)純基礎(chǔ)油中的典型侵入污染物。O–S TENG 具有非常好的靈敏度，甚至可以分別檢測(cè)至少 1 mg mL –1 的碎片和 0.01 wt% 的水污染物。此外，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)油箱中配制的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的實(shí)時(shí)監(jiān)控。我們的結(jié)果表明，在接觸起電過(guò)程中，電子可以從油轉(zhuǎn)移到固體表面。電輸出特性取決于磨損碎片、沉積碳和油中老化引起的有機(jī)分子等的屏蔽效應(yīng)。先前的工作僅定性地確定了通過(guò)減少TENG表面吸附的液體可以提高液體的輸出能力，但沒(méi)有研究液體的吸附質(zhì)量和吸附速度及其對(duì)輸出性能的影響。我們通過(guò)液固接觸界面的石英晶體微天平耗散(QCM-D)定量研究了潤(rùn)滑油的輸出能力和吸附行為之間的內(nèi)在關(guān)系。本研究為潤(rùn)滑油智能診斷提供了一種實(shí)時(shí)、在線、自供電的策略。

　　人類文明和文化傳播很大程度受益于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，其中汽車(chē)、火車(chē)、輪船、飛機(jī)在便捷、高 效、安全等方面發(fā)揮著重要作用。(2?4)機(jī)器中關(guān)鍵動(dòng)態(tài)部件的意外致命故障每天都會(huì)發(fā)生，威脅著人類的生命和健康。因此，為了確保可靠地提供機(jī)器服務(wù)，可靠的狀態(tài)監(jiān)測(cè) (CoMo) 非常重要。

　　隨著工業(yè)4.0自動(dòng)化程度的提高，智能機(jī)器需要能夠理解或感知故障，并通過(guò)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)做出相應(yīng)的決策。潤(rùn)滑油可以將機(jī)器壽命延長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。

　　使用潤(rùn)滑劑是控制摩擦和磨損的有效方法，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的機(jī)械接口通常通過(guò)流體潤(rùn)滑膜進(jìn)行潤(rùn)滑和隔離。因此，潤(rùn)滑劑是檢測(cè)機(jī)器故障策略中的重要信息來(lái)源，可與人體血液在檢測(cè)和預(yù)防疾病中的作用相媲美。潤(rùn)滑劑的實(shí)時(shí)檢測(cè)可以消除昂貴的機(jī)器停機(jī)檢查的需要，否則需要這樣做以避免運(yùn)行期間發(fā)生災(zāi)難性部件故障的可能性。

　　潤(rùn)滑油中經(jīng)常存在熱氧化、磨屑、積碳、燃油和水分等侵入污染物，是導(dǎo)致潤(rùn)滑失效的主要問(wèn)題。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)部分產(chǎn)生的熱量會(huì)影響油的性能。潤(rùn)滑油的氧化安定性低，在高溫老化下可能會(huì)導(dǎo)致油酸化和積碳。

　　在運(yùn)行中，當(dāng)摩擦表面磨損時(shí)，油中磨屑的比例逐漸增加(鐵和銅屑)，碎片的尺寸在10-100μm范圍內(nèi)。當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，燃料或水可能通過(guò)活塞/氣缸的摩擦界面滲入發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油。燃油和水不僅會(huì)損害油質(zhì)和潤(rùn)滑性能，還會(huì)腐蝕機(jī)器。

　　有許多方法可用作監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油質(zhì)量的傳感器。一些例子包括光學(xué)方法、聲發(fā)射檢測(cè)方法和電磁感應(yīng)技術(shù)。傳統(tǒng)上，一些污染物的侵入總是可以通過(guò)潤(rùn)滑劑介電常數(shù)的變化來(lái)反映，因此可以通過(guò)監(jiān)測(cè)所用潤(rùn)滑劑的介電常數(shù)來(lái)及時(shí)檢測(cè)污染物。然而，這些方法只能通過(guò)離線監(jiān)測(cè)提供有關(guān)黑色金屬磨損碎片進(jìn)展的有限信息，并且精度相對(duì)較低。

　　目前的傳感器只能檢測(cè)最低濃度約為1 mg mL –1的直徑為100～300 μm的大顆粒，并且只能檢測(cè)低至0.33 wt%的水污染物。大多數(shù)傳統(tǒng)的檢測(cè)傳感器都非常大且笨重，需要安裝或連接到設(shè)備系統(tǒng)，可能會(huì)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)造成干擾。由于依賴外部電源，能耗對(duì)其小型化、輕量化是一個(gè)挑戰(zhàn)，且使用壽命有限。迫切需要開(kāi)發(fā)一種自供電、高靈敏度、小型甚至靈活的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

　　Wang 及其同事于 2012 年開(kāi)發(fā)了基于摩擦起電和靜電效應(yīng)結(jié)合的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)，用于能量收集和自供電監(jiān)測(cè)。基于TENG的傳感器已成功用作機(jī)械傳感器來(lái)檢測(cè)水波、液體流速，和有機(jī)的和離子濃度基于液固接觸起電。受水基系統(tǒng)工作的啟發(fā)，我們提出了一種開(kāi)發(fā)用于油狀態(tài)監(jiān)測(cè)的 TENG 的方法。液固接觸的帶電過(guò)程可以通過(guò)液固接觸界面上的電子和離子轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生大規(guī)模的表面電荷。

　　研究發(fā)現(xiàn)，電子轉(zhuǎn)移是固-固情況下摩擦起電過(guò)程的主要機(jī)制，因此不含離子的潤(rùn)滑油可以通過(guò)油固界面之間的電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生一定量的電荷。在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種可行的方法來(lái)制備和應(yīng)用使用油固相互作用 TENG (O-S TENG) 的自供電摩擦電傳感器，用于實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油。首先，使用三種純基礎(chǔ)油(聚α烯烴6、石蠟油和菜籽油)和典型的污染物侵入(即熱老化、磨損碎片、積碳、柴油和水)。通過(guò)液固界面上的摩擦起電，接觸摩擦層產(chǎn)生的電信號(hào)可以檢測(cè)潤(rùn)滑油狀況。闡述了 O-S TENG 的工作機(jī)制。在模型研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種傳感器，用于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中潤(rùn)滑油的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，該傳感器在構(gòu)建自供電、實(shí)時(shí)、在線的潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面具有巨大的潛力。

　　O-S TENG的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　用于檢測(cè)油中污染物的摩擦電傳感器是通過(guò)使用覆蓋有銅箔的滴管開(kāi)發(fā)的，如圖S1所示。通常，使用聚四氟乙烯(PTFE)、低密度聚乙烯(LDPE)或玻璃(GLASS)管作為基板，并將銅層沉積在管的外表面上，形成單電極TENG傳感器。對(duì)于圖1a中的液體流量傳感器，油流(PAO-6、石蠟或菜籽油)從滴管的握把尖端被擠壓或松開(kāi)，然后油流主動(dòng)穿過(guò) TENG 表面，油流運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電輸出信號(hào)。如圖1b所示，所開(kāi)發(fā)的 O-S TENG 的輸出信號(hào)生成基于摩擦起電和靜電感應(yīng)。

　　由于與 Cu 的相互作用，PTFE 和 LDPE 的非金屬表面層保留了一層負(fù)束縛電荷，而 GLASS 表面由于摩擦電序中的位置不同而保留正電荷，如圖 S2支持信息所示。PTFE 和 LDPE 基 TENG 的初始電壓輸出在信號(hào)漂移較弱的保持階段后主要為正。相反，基于 GLASS 的 TENG 顯示相對(duì)負(fù)電壓信號(hào)，如圖S3所示。本研究中監(jiān)測(cè)油況的關(guān)鍵是從輸出值的幅值和電壓信號(hào)的變化趨勢(shì)出發(fā)，因此，將典型的電壓輸出統(tǒng)一處理在一條基線(零軸)上。

　　圖 1. O-S TENG 的結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理。(a) 所開(kāi)發(fā)的O-S TENG傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 由純潤(rùn)滑油和銅電極之間的界面相互作用產(chǎn)生的典型輸出信號(hào)。(c) 污染物侵入的潤(rùn)滑油的輸出生成。

　　當(dāng)油分子最初接近沒(méi)有預(yù)先存在表面電荷的原始表面時(shí)，會(huì)發(fā)生初始電子轉(zhuǎn)移以使固體表面帶電(圖S4)。非金屬表面會(huì)吸引帶電的油分子，形成雙電層(EDL)，屏蔽非金屬層的靜電感應(yīng)電荷。因此，在短路條件下，電子將從地流向銅電極以達(dá)到電平衡。當(dāng)流離開(kāi)非金屬層時(shí)，屏蔽效應(yīng)將消失，電子將從Cu流向地面，以達(dá)到新的電平衡。如圖1c所示，潤(rùn)滑油中的污染物會(huì)改變油的電氣化過(guò)程性能，并且可以從O–S TENG電力輸出中反映出來(lái)。基于上述工作機(jī)制，O-S TENG具有監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油狀況的潛力。為了闡明污染物在改變 O-S TENG 輸出信號(hào)中的作用，系統(tǒng)地研究了影響因素，即熱老化、磨損碎片、沉積碳、燃油和水，如表 S1所示。

　　O–S TENG 進(jìn)行基礎(chǔ)潤(rùn)滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)

　　實(shí)際設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑油不可避免地會(huì)發(fā)生熱氧化。因此，熱老化是油品變質(zhì)的重要標(biāo)志。為了證明 O-S TENG 的適用性，首先制備了不同老化程度的純基礎(chǔ)油。測(cè)試時(shí)，管內(nèi)每個(gè)油流的體積約為2 mL，通過(guò)手動(dòng)擠壓和松開(kāi)，將油流過(guò)電極表面的頻率設(shè)置在1±0.1 Hz左右。圖2顯示了由純基礎(chǔ)油驅(qū)動(dòng)的O-S TENG在不同老化時(shí)間段(0～192 h)下的電壓輸出。如圖2a -c所示，當(dāng)油與PTFE管接觸流動(dòng)時(shí)，三種純基礎(chǔ)油的輸出值約為0.1V。對(duì)于老化的PAO-6油流，隨著老化時(shí)間的增加(最多12小時(shí))，輸出電壓從0.1 V增加到0.33 V。當(dāng)老化時(shí)間為48 h時(shí)，石蠟油的最大輸出值約為0.32 V，而菜籽油老化3 h后輸出值沒(méi)有增加。如圖2d -i所示，LDPE和GLASS管的電壓信號(hào)變化趨勢(shì)與PTFE管相似，這進(jìn)一步證實(shí)了熱老化極大地影響了O-S TENG的輸出，并且O-S TENG可以有效地監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油的老化程度。

　　圖 2. 5 秒內(nèi)熱老化對(duì) O–S TENG 監(jiān)測(cè)純基礎(chǔ)油輸出電壓的典型信號(hào)曲線。基于 PTFE 的 O–S TENG 監(jiān)測(cè) PAO-6 油 (a)、石蠟油 (b) 和菜籽油 (c)。基于 LDPE 的 O–S TENG 監(jiān)測(cè) PAO-6 油 (d)、石蠟油 (e) 和菜籽油 (f);基于玻璃的 O-S TENG 監(jiān)測(cè) PAO-6 油 (g)、石蠟油 (h) 和菜籽油 (i)。

　　作為磨損過(guò)程和碳沉積副產(chǎn)品的典型污染物成分隨著時(shí)間的推移逐漸增加，導(dǎo)致機(jī)器老化甚至故障。監(jiān)測(cè)污染物對(duì)于避免災(zāi)難性故障至關(guān)重要。我們將鐵/銅顆粒作為磨損碎片和炭黑分散在基礎(chǔ)油中，以模擬經(jīng)歷實(shí)際磨損和積碳過(guò)程的潤(rùn)滑油。Fe/Cu碎片和炭黑的測(cè)試分?jǐn)?shù)和形態(tài)分別總結(jié)在表S1和圖S5中。如圖S6所示，隨著分?jǐn)?shù)的增加，輸出值先增大后減小，PTFE基O-S TENG的電壓輸出變化趨勢(shì)與LDPE基和GLASS基的電壓輸出變化趨勢(shì)非常一致。 O-S TENG。

　　圖3面板 a-c 顯示了由碎片流驅(qū)動(dòng)的基于 PTFE 的 O-S TENG 的電壓輸出，碎片范圍為 0 mg mL –1至 20 mg mL –1。與充滿 Fe 碎片的 PAO-6 流接觸時(shí)，O-S TENG 裝置在碎片分?jǐn)?shù)為 4 mg mL –1時(shí)的最大輸出電壓為 0.58 V。對(duì)于石蠟和油菜籽流，最大輸出電壓分別為 0.65 V(10 mg mL –1時(shí))和 0.37 V(4 mg mL –1時(shí))。圖S7中，含Cu碎屑流的電壓值也隨著Cu碎屑含量的增加而增大，然后在高含量處降低。當(dāng)與圖3d -f所示的含炭黑流接觸時(shí)，隨著分?jǐn)?shù)的增加，基礎(chǔ)油的輸出電壓也出現(xiàn)高峰值，但臨界分?jǐn)?shù)值遠(yuǎn)低于Fe和Cu碎片的臨界分?jǐn)?shù)值。滿載的流動(dòng)。在實(shí)際設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的燃油總是從氣缸壁與活塞之間的摩擦接觸區(qū)域進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油。圖3

　　圖 3. PTFE 基 O–S TENG 監(jiān)測(cè)純基礎(chǔ)油的輸出電壓在 5 秒內(nèi)的典型信號(hào)曲線。影響 PAO-6 油 (a)、石蠟油 (b) 和菜籽油 (c) 的 O-S TENG 輸出的各種鐵碎片 (0～20 mg mL –1 )。影響 PAO-6 油 (d)、石蠟油 (e) 和菜籽油 (f) 的 O-S TENG 輸出的不同炭黑餾分 (0～20 mg mL –1 )。不同柴油餾分(0～30 wt%)影響 PAO-6 油(g)、石蠟油(h)和菜籽油(i)的 O-S TENG 產(chǎn)量。影響 PAO-6 油 (j)、石蠟油 (k) 和菜籽油 (l) 的 O-S TENG 輸出的各種水分?jǐn)?shù) (0～1 wt%)。

　　還研究了燃油(柴油)的影響(圖3g -i和圖S8)。可以清楚地看到，在高柴油分?jǐn)?shù)下，電壓值逐漸降低。由于工業(yè)含油廢水的增加以及相關(guān)事故的頻繁發(fā)生，油水監(jiān)測(cè)和分離是世界范圍內(nèi)關(guān)注的挑戰(zhàn)。(46?48)油中水的監(jiān)測(cè)是一個(gè)界面挑戰(zhàn)，使用 TENG 傳感器是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的有效方法。如圖3 j-l 和圖 S9所示，所有基礎(chǔ)油的電壓輸出隨著水含量的增加而持續(xù)增加，分別通過(guò)基于 PTFE、基于 LDPE 和基于玻璃的 O-S TEGN。特別是，對(duì)于 PAO-6 和菜籽油的含水流，當(dāng)水含量?jī)H增加到 0.01 wt% 時(shí)，輸出電壓明顯從 0.1 V 增加到 0.3 V ，如圖 3 j和圖3 l 所示，這意味著盡管水含量非常低，但開(kāi)發(fā)的 O-S TENG 對(duì)于監(jiān)測(cè)油中的水仍表現(xiàn)出很高的靈敏度。

　　潤(rùn)滑油的電輸出機(jī)制

　　根據(jù)上述O-S TENG的輸出電壓，可以發(fā)現(xiàn)，含水油流量的變化趨勢(shì)與Fe、Cu碎屑和炭黑流量的變化趨勢(shì)不同。當(dāng)油流中的水接觸 O-S TENG 表面時(shí)，輸出電壓將會(huì)增加，因?yàn)樗?固體帶電的輸出高于先前工作中報(bào)道的油/固體帶電的輸出。另外，眾所周知，水的表面張力(62～72 mJ m –2)遠(yuǎn)高于油的表面張力(31～35 mJ m –2)，(21,49)這意味著當(dāng)油中添加水時(shí)，油流與TENG表面接觸的界面潤(rùn)濕性更弱，即水更傾向于離開(kāi)表面，從而減少水殘留。

　　相反，可以理解，在高分?jǐn)?shù)時(shí)，載有柴油的流的輸出明顯下降，因?yàn)楸砻鎻埩Ψ浅５?28 mJ m –2)的柴油很容易在TENG表面上鋪展和吸附。老化基礎(chǔ)油(老化PAO-6油、老化石蠟油、老化菜籽油)的輸出性能與含F(xiàn)e/Cu碎屑和含炭黑的油有很好的一致性，即輸出電壓略有增加，然后隨著污染物含量的增加而逐漸減小。隨著熱老化的增加，PAO-6和石蠟油的顏色逐漸從無(wú)色變?yōu)槌壬鐖DS10所示。這意味著這兩種純油經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的陳化已經(jīng)嚴(yán)重氧化，穩(wěn)定性不如菜籽油。

　　根據(jù)圖S11中的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)結(jié)果，存在許多含氧組分(羧酸根、羰基(1158 cm –1 )和羥基(3470 cm –1 )基團(tuán))，特別是PAO中生成的羧酸根-6和石蠟油經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的老化(48～192 h)。(50,51)因此，這些老化油比純基礎(chǔ)油顯示出更高的極性和更高的離子濃度，因此輸出值和熱老化時(shí)間之間的正相關(guān)關(guān)系是由于離子轉(zhuǎn)移過(guò)程的增強(qiáng)。富含鐵/銅碎片和富含炭黑的油的輸出信號(hào)增加被認(rèn)為是由于污染物侵入(鐵、銅和碳顆粒)比有機(jī)成分(油分子)具有更高的摩擦生電能力造成的，從而增強(qiáng) O-S TENG 的接觸電氣化。然而，輸出電壓信號(hào)在污染物含量較高時(shí)會(huì)降低，這很可能是由于流體通過(guò)后管子上不可避免地粘附有油。

　　例如，如圖S12所示，在測(cè)試高碎片分?jǐn)?shù)(20mg·mL -1 )的石蠟油后，明顯的污染物吸附在非金屬表面的內(nèi)壁上，因此帶有一些電荷的污染物殘留在表面上，導(dǎo)致電影上摩擦電荷的部分篩選。同樣，經(jīng)過(guò)多次擠壓和松散過(guò)程后，老化油中的橙色有機(jī)成分很容易吸附在O-S TENG的內(nèi)壁上，例如石蠟油經(jīng)過(guò)高老化時(shí)間(192小時(shí))后(圖S12 )。

　　油流在表面的吸附行為對(duì)于 TENG 的輸出能力起著至關(guān)重要的作用。因此，我們定量研究了潤(rùn)滑油的吸附性能。我們使用具有耗散功能的石英晶體微天平 (QCM-D) 對(duì) O-S TENG 內(nèi)壁吸附層的形成進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。在圖4a中，由于油分子吸附到基質(zhì)上，觀察到純基礎(chǔ)油(0小時(shí))的頻率迅速下降。頻率值隨時(shí)間變化非常穩(wěn)定，允許300 s的吸附時(shí)間，以確保飽和油吸附在基材上。然后依次研究老化不同時(shí)間(3～192 h)的油。對(duì)于較長(zhǎng)的老化時(shí)間(96～192 h)，觀察到頻率顯著下降，這意味著較長(zhǎng)時(shí)間的老化油在基材上吸附更多。

　　此外，當(dāng)將基礎(chǔ)油注入QCM單元時(shí)，獲得由吸附引起的耗散的增加，如圖S13所示。可以清楚地看出，耗散足夠小(Δ D < 10Δ f)(Δ D，耗散;Δ f，諧振頻率)，因此基板上的吸附膜被驗(yàn)證為剛性層，并且 Sauerbrey 方程可以用于根據(jù)頻率變化計(jì)算吸附質(zhì)量。吸附質(zhì)量的結(jié)果總結(jié)在圖4b中。發(fā)現(xiàn)這些油的吸附量隨著老化時(shí)間的增加而增加。陳化石蠟油經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間陳化(192 h)后，其吸附量達(dá)到最低值(11.5 mg cm –2)，而陳化菜籽油的吸附量則高達(dá)17.1 mg cm –2。在整個(gè)老化時(shí)間(0～192 h)內(nèi)，老化石蠟油的吸附質(zhì)量最小。老化菜籽油總是比其他兩種基礎(chǔ)油具有更大的吸附質(zhì)量，這進(jìn)一步證實(shí)了圖2中的結(jié)果，即老化菜籽油的產(chǎn)值遠(yuǎn)低于老化石蠟油和老化PAO-6油。

　　圖4.潤(rùn)滑油的吸附行為和電輸出機(jī)制。(a) QCM-D 數(shù)據(jù)顯示歸一化頻率隨老化時(shí)間的增加而變化。(b) 通過(guò) QCM-D 測(cè)量基礎(chǔ)油在 Au 基底上的油分子吸附質(zhì)量。(c) PTFE 基 O–S TENG 基礎(chǔ)油的輸出電壓與老化時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。(d) 基礎(chǔ)油的 TAN 值與老化時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。(e) 進(jìn)入污染物的臨界分?jǐn)?shù)和基礎(chǔ)油的吸附量。(f) O-S TENG與含污染物油接觸的實(shí)際工作原理示意圖以及不同階段的電荷分布。

　　雖然所有老化基礎(chǔ)油的輸出電壓均先上升后下降(圖2)，但臨界老化時(shí)間不同，如圖4c所示。老化石蠟油的臨界老化時(shí)間高達(dá)48 h左右，而老化PAO-6油和菜籽油的臨界老化時(shí)間分別為24和3 h。這是因?yàn)槔匣氖炗妥铍y吸附在表面(圖4b)，因此屏幕效果弱很多，盡管老化時(shí)間增加，輸出信號(hào)仍能保持較高的值。

　　相比之下，陳化菜籽油的相應(yīng)吸附膜具有很強(qiáng)的粘附作用，很容易在表面沉積，因此屏蔽效應(yīng)是不可逆的，輸出信號(hào)迅速下降。除了臨界老化時(shí)間外，這些基礎(chǔ)油在不同老化時(shí)間下的輸出值也不同。可以看出，在陳化時(shí)間0～5 h期間，陳化菜籽油的產(chǎn)值略高于陳化PAO-6油和陳化石蠟油(圖4c )。在老化初期，陳化菜籽油的總酸值(TAN)遠(yuǎn)高于其他基礎(chǔ)油(圖4d )，因此較高的產(chǎn)量歸因于陳化菜籽的離子轉(zhuǎn)移過(guò)程的增強(qiáng)盡管存在表面吸附作用，但油仍能被去除。隨著老化時(shí)間的增加(最長(zhǎng)約35 h)，老化PAO-6油的TAN急劇增加，這意味著離子轉(zhuǎn)移對(duì)老化PAO-6油起著顯著的作用。

　　對(duì)于石蠟油，當(dāng)老化時(shí)間從35 h增加到90 h時(shí)，老化石蠟油的TAN與老化PAO-6油一樣大，并且老化石蠟油的吸附質(zhì)量值要小得多(圖4b ); 因此，陳化石蠟油的產(chǎn)值最高。此外，當(dāng)老化時(shí)間超過(guò)臨界值(PAO-6油為24 h;石蠟油為48 h)時(shí)，TAN急劇增加，老化PAO-6油和老化石蠟油的輸出電壓迅速下降，這證實(shí)了老化程度的增加導(dǎo)致油流中離子過(guò)多，會(huì)干擾電子傳遞過(guò)程。對(duì)于老化菜籽油，隨著老化時(shí)間的增加，TAN沒(méi)有明顯變化，但相應(yīng)的吸附質(zhì)量增加更明顯，這導(dǎo)致由于O-S TENG周?chē)綄拥钠帘涡?yīng)導(dǎo)致輸出信號(hào)下降。

　　潤(rùn)滑油的吸附行為不僅對(duì)老化油的輸出信號(hào)起著重要作用，而且直接影響含F(xiàn)e/Cu碎屑和含炭黑油的輸出性能。如圖4e所示，純菜籽油、純PAO-6油和純石蠟油的吸附質(zhì)量分別為12.7 mg cm- 2、11.6 mg cm -2和9.7 mg cm -2。與此同時(shí)，每種基礎(chǔ)油的污染物(鐵碎片、銅碎片和炭黑)的關(guān)鍵部分依次增加。吸附質(zhì)量較大的潤(rùn)滑油會(huì)攜帶更多的污染物殘留在O-S TENG表面，導(dǎo)致篩網(wǎng)效應(yīng)快速飽和，導(dǎo)致產(chǎn)能下降。因此，雖然進(jìn)入的污染物能夠有效地接觸非金屬介質(zhì)表面，并能提供較高的油流預(yù)充電，但相應(yīng)的強(qiáng)吸附油膜很容易沉積在表面上，因此屏蔽效應(yīng)是不可逆的，輸出信號(hào)逐漸減小，如圖所示在圖4f中。

　　通過(guò) O–S TENG 監(jiān)測(cè)配方潤(rùn)滑油狀態(tài)

　　為了監(jiān)測(cè)工業(yè)應(yīng)用的全配方潤(rùn)滑油，使用含有各種廢油餾分的新鮮配制的商用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油(而不是上一節(jié)中的純基礎(chǔ)油)作為測(cè)試對(duì)象。如圖5a -c所示，該油的輸出電壓遠(yuǎn)高于圖2和圖3所示的純基礎(chǔ)油的輸出電壓。純基礎(chǔ)油由非極性碳?xì)浠衔锝M成，信號(hào)輸出主要來(lái)自弱電子傳遞過(guò)程，因此輸出值較低(圖2和圖3)。商用潤(rùn)滑油由基礎(chǔ)油和其他成分組成，如活性/極性添加劑，即抗磨、分散、防銹添加劑，可以顯著提高電子和離子的界面?zhèn)鬏敗?/p>

　　此外，接觸層的電荷俘獲能力隨著介電常數(shù)的增加而增加。所采用的商用發(fā)動(dòng)機(jī)油的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于圖S14所示的基礎(chǔ)油的介電常數(shù)。因此，商用潤(rùn)滑油的輸出信號(hào)(大于1.0V)遠(yuǎn)高于純基礎(chǔ)油的輸出信號(hào)(約0.1V)。發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的電壓值最終在廢油含量較高時(shí)下降，這與污染基礎(chǔ)油的輸出性能非常一致。發(fā)生這種情況的原因是，隨著廢油含量的增加，越來(lái)越多的進(jìn)入污染物(例如磨損碎片)被吸附在介電表面上，并且更多帶有相反電荷的老化誘導(dǎo)離子被吸附到接觸表面上，從而屏蔽了介電表面上的摩擦電荷。生成層。

　　圖 5.O-S TENG 監(jiān)測(cè)配制潤(rùn)滑油的輸出特性。與 PTFE 基 (a)、LDPE 基 (b) 和 GLASS 基 (c) O–S TENG 接觸的商用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的輸出電壓與廢油分?jǐn)?shù)的函數(shù)關(guān)系。對(duì)應(yīng)于潤(rùn)滑系統(tǒng)區(qū)域 (d) 的車(chē)輛草圖。潤(rùn)滑系統(tǒng)中的油路和油箱示意圖(e)。工業(yè)運(yùn)輸系統(tǒng)中使用的具有單電極的 O-S TENG 設(shè)計(jì)示意圖 (f)。本研究中用于 O-S TENG 的輸出監(jiān)視器 (g)。運(yùn)輸潤(rùn)滑系統(tǒng)輸出信號(hào)實(shí)際測(cè)試裝置，包括發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、油箱、單電極(h)。發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的輸出電壓與廢油分?jǐn)?shù) (i,j) 的函數(shù)關(guān)系。與初始輸出(k)相比，拉伸1500次往復(fù)后的輸出特性。

　　根據(jù)以上研究結(jié)果，相信所設(shè)計(jì)的O-S TENG可以應(yīng)用于實(shí)際領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)。為了證明這一點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種自供電傳感器，用于在模擬測(cè)試平臺(tái)上實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)實(shí)際油箱中的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油。車(chē)輛的機(jī)械運(yùn)動(dòng)在學(xué)校道路、高速公路、道路交叉口等復(fù)雜道路上總會(huì)涉及加減速。潤(rùn)滑油由于慣性，會(huì)在車(chē)輛油箱的密閉空間內(nèi)產(chǎn)生油波。當(dāng)O-S TENG附著在儲(chǔ)罐內(nèi)壁時(shí)，可以從油波與TENG固體表面之間的接觸分離獲得輸出信號(hào)。潤(rùn)滑系統(tǒng)中油路和油箱的車(chē)輛簡(jiǎn)圖如圖5d、e所示。實(shí)時(shí)在線 O-S TENG 傳感器由一個(gè)短的矩形銅電極組成，該電極完全被 PTFE 薄膜覆蓋，附著在罐的內(nèi)壁上(圖5f )。數(shù)據(jù)采集裝置將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，如圖5g所示裝置的照片所示。

　　圖5h所示的油箱由線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生油波。O-S TENG 的輸出電壓隨著廢油含量較低(0～2 mg mL –1)而略有下降，并且隨著廢油含量從 3 mg mL –1到 20 mg mL -1顯著下降–1。這應(yīng)該是由于吸收在 TENG 表面上的引入成分的屏蔽效應(yīng)，例如磨損碎片、沉積碳和老化引起的含氧基團(tuán)。當(dāng)油溫升高時(shí)，輸出電壓逐漸降低(圖S15)。這是因?yàn)楦邷貢?huì)引起熱電子發(fā)射，從而降低TENG的輸出性能。所開(kāi)發(fā)的TENG適合在油罐中使用，并且?guī)缀鯖](méi)有火災(zāi)危險(xiǎn)，因?yàn)殡娏骱碗姾傻妮敵鲋祪H約為±0.4 nA和±0.2 nC(圖S16)，對(duì)于此類應(yīng)用是安全的。此外，如圖5k所示，經(jīng)過(guò)1500次循環(huán)后，O-S TENG的輸出值沒(méi)有明顯變化，這意味著轉(zhuǎn)移的電荷也與初始原始狀態(tài)幾乎相同。因此，往復(fù)循環(huán)對(duì)吸附行為影響很小，表明設(shè)計(jì)的 O-S TENG 表現(xiàn)出良好的延展性和穩(wěn)定性。

如果您需要:在線潤(rùn)滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)，請(qǐng)聯(lián)系我們。智火柴，國(guó)內(nèi)知名油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供商!