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酯类合成油是综合性能非常优异的合成润滑油,但仍难以完全满足高端装备日益苛刻的工况需求,主要原因是苛刻的工况条件加剧了酯类油的热氧化,进而引起其性能退化。研究酯类润滑油热氧化行为及其规律、设计并制备高效抗氧剂是提高酯类油抗氧化性能、延长其使用寿命的关键,对于提升装备运行可靠性以及指导酯类油开发与应用具有重要意义。本文研究对象主要为典型酯类基础油三羟甲基丙烷油酸酯(TMPTO)、己二酸二异辛酯(DOA)和偏苯三酸三异癸酯(TDTM)。结合试验测试与分子模拟计算,对比研究了 DOA和TDTM的热氧化规律及其性能差异本质,从原子尺度揭示了DOA和TDTM的热氧化机理。研究了 Fe表面催化对TMPTO、DOA、TDTM理化性能及化学结构的影响,探讨了典型抗氧剂与金属减活剂在抑制Fe催化氧化效应方面的作用规律。设计、制备了多酚型高效抗氧剂,研究了其对酯类油抗氧化性能与摩擦学性能的作用规律。润滑油热氧化引起的结构改变易使其润滑性能发生变化,为在线研究润滑油高温摩擦过程中的化学结构变化,构建了高温摩擦试验机-红外光谱仪联用测试系统,研究了润滑油高温摩擦过程中摩擦系数变化与结构演变的关系。基于上述研究工作,论文的主要结论如下:(1)TDTM具有比DOA更好的抗氧化性能,表现出更稳定的运动粘度、更长的氧化诱导时间和更高的氧化起始温度。TD T M具有较低的自由体积分数与氧气扩散系数,表明其溶氧能力弱于DOA。反应分子动力学模拟显示,DOA分子醇链端的C-O键和酯基的C-O键是其活性反应位点,易被氧化产生氢键和小分子降解产物,随后部分产物以醚键键合形成聚合产物;与DOA相比,TDTM分子仅有醇链端的C-O键是其活性位点,且氧化产生的氢键和降解产物较少,未形成聚合产物。(2)金属Fe表面催化效应对酯类油热氧化行为具有显著影响。在热氧化条件下,Fe表面加剧DOA运动粘度和总酸值的增长以及醇类与羰基类氧化产物的积累;对于不饱和的TMPTO而言,Fe表面使其运动粘度大幅增长,而总酸值的增幅较小,Fe催化加剧了活性位点C=C和=C-H的化学变化,形成了较多的羰基氧化产物;相比于DOA和TMPTO,Fe表面对于TDTM基础油基本不表现催化氧化作用。二壬基二苯胺(DNDA)抗氧剂与金属减活剂N,N’-二正丁基氨基亚甲基苯三唑(BTA)能够有效抑制Fe表面的催化效应,二者复配具有良好的协同抗氧效应,有效减缓TMPTO油样的运动粘度增长及氧化产物的积累。(3)在明确酯类基础油热氧化行为规律的基础上,为提高酯类油抗氧化性能,开发制备了单分子中含多个受阻酚结构的高效抗氧剂2,4,6-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苯硫基)-1,3,5-三嗪(THA)和间苯三酚三(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基))丙酸酯(PTP)。THA与PTP多酚型抗氧剂均具有良好的热稳定性能,PTP抗氧剂可以有效提高三种酯类基础油的抗氧化性能,THA抗氧剂能够提高DOA和TDTM酯类油的抗氧化性能,但改善TMPTO抗氧化性能效果有限。PTP抗氧剂能够有效提高DOA酯类油的抗磨性能。THA抗氧剂与DNDA胺型抗氧剂在TDTM酯类油中表现出良好的协同抗氧效应,THA、DNDA、ZDDP三者复配使用可以进一步提高TDTM酯类油的抗氧化性能,并能显著改善其摩擦学性能。THA多酚抗氧剂与胺类抗氧剂及ZDDP抗磨剂在酯类油体系中具有良好的配伍性。(4)设计研制出基于高温低速四球摩擦试验机与红外光谱仪联用的润滑油摩擦学性能与结构在线测试系统,实现了摩擦过程中对润滑油及其添加剂化学结构变化的持续表征。研究发现,红外光谱的变化可精确表征高温摩擦过程中润滑油结构变化以及抗氧添加剂的影响,摩擦系数变化与润滑油结构变化具有对应性。在线红外光谱分析表明,在高温摩擦过程中,DNDA抗氧剂通过自身N-H功能基团的脱氢作用来抑制油样的氧化,从而减少油样中醇类及羰基类氧化产物的形成。所研制的多酚型抗氧剂PTP在TMPTO酯类油高温摩擦过程中,其酚羟基抗氧基团易发生脱氢反应,能够有效阻断TMPTO的氧化,具有较好的改善TMPTO抗氧化性能效果,且能有效降低摩擦平稳阶段的摩擦系数,改善TMPTO的高温润滑性能。