发动机作为汽车心脏,其正常运行对汽车至关重要,而发动机机油润滑性能的优劣则对发动机的寿命与效率有着重要影响。近年来,机油添加剂已成为提高机油润滑性能及发动机效率的有效手段。目前机油添加剂的种类繁多,多数是含磷或含硫的,而同时具备高润滑性和环保性的机油添加剂较为缺乏。在自然界中,非光滑表面现象是普遍存在的,国内外学者通过研究一些典型动植物的非光滑表面提出了仿生非光滑概念。仿生非光滑表面可以简单地理解为在光滑基体表面存在至少一种可以引起仿生非光滑效应的因素的宏观区域表面。应用仿生非光滑表面的宏观产品,如仿生非光滑犁壁、仿生非光滑缸套活塞系统等,可以有效地减阻耐磨,提高生产效率,然而仿生非光滑理论尚缺乏在微观层面的构建与应用。石墨烯具有特殊的二维纳米层状结构、高机械强度和良好的导热性,并且是碳质固体润滑材料的基本结构单元。二茂铁是最早被发现的夹心配合物,其分子结构为一个铁原子处在两个平行的环戊二烯环之间。本文基于前人对宏观仿生非光滑表面的研究,提出将仿生非光滑表面理论运用到微观纳米级分子设计,利用石墨烯与二茂铁分子之间的π-π叠加作用将二茂铁分子结合到石墨烯片层表面,构建石墨烯@二茂铁纳米复合物。二茂铁的引入可以使石墨烯片层在微观上的接触面积减小,从而降低摩擦磨损,提高润滑性能。本文首先制备了石墨烯@二茂铁纳米复合物,通过扫描电子显微镜、红外光谱、拉曼光谱、紫外可见光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射等手段对所得石墨烯@二茂铁仿生非光滑表面材料的形貌、组成和结构进行了理化表征。之后将所得石墨烯@二茂铁和三组对照(二茂铁、石墨烯、物理共混的二茂铁和石墨烯)分别添加到机油中,利用销盘摩擦磨损实验,初步确定了石墨烯@二茂铁仿生非光滑表面材料在机油中具有良好的润滑摩擦性能。随后,研究了二茂铁质量分数和石墨烯@二茂铁添加剂量对机油润滑摩擦性能的影响,确定了在固定石墨烯用量的前提下,二茂铁的最佳质量分数为20 wt%,而石墨烯@二茂铁在机油中的最佳添加剂量为0.4 g/L。在研究过程中为实现接近实际工况下的检测,设计并搭建了两套装置:汽车发动机性能测试台架和汽油消耗量快速测量装置。汽车发动机性能测试台架可在多种负载条件下对发动机耐久性、功率输出、扭矩、运行温度等进行全方位测试。汽油消耗量测量装置可在5%误差范围内实现汽油消耗量的快速、低成本测量。本文最后对石墨烯@二茂铁仿生非光滑表面材料在机油中的润滑降耗性能进行了台架测试,验证了石墨烯@二茂铁仿生非光滑表面材料在机油中具有一定的降低油耗作用。本文的研究为开发兼具高润滑性和环保性的机油添加剂,提供了一种应用仿生非光滑表面理论的新思路。