基于间接烧蚀LIBS技术的机油中磨损元素探测的增强机理及方法研究

Engine oil plays an important role in the engine operation. Elements composition and concentration in engine oil will be changed as the engine operates, which can lead to deterioration of engine oil. The engine wear thereby will be worse. A rapid and effective detection approach for oil performance, therefore, can prevent the accident further deterioration. Indirect ablation laser induced breakdown spectroscopy (IA-LIBS) is a new technology that is introduced specially for oils samples by our team, which focuses on the indirect ablation of oil samples by metallic plasma with high temperature. It can improve the detection sensitivity and stability. In this project, we will first understand the space-time evolution of indirect ablation plasma, and clear deeply the enhancement mechanism of IA-LIBS. The evaluation criterions of engine oil performances will be established respectively by the detection of wear metals and nonmetallic elements in engine oil. Finally this method is applied to the detection of field samples, and we will develop an evaluation approach for engine wear by the diagnosis of engine oil performances. The IA-LIBS will be further improved and promote the detection development of engine oil performance, which has important scientific significance for the diagnosis of engine wear.

机油在发动机的运转过程中具有非常重要的作用。随着发动机的运转，机油的成分和元素含量发生变化，导致机油变质，进而加剧发动机的磨损，探寻一种快速有效的机油性能检测手段，则是防止发生事故的重要前提。间接烧蚀激光诱导击穿光谱技术（IA-LIBS）是项目组针对机油样品提出的一种全新检测方法，其核心是基于金属基底产生的高温等离子体间接烧蚀样品，在保持了LIBS基本特点的基础上，提高了样品检测灵敏度和稳定性。本项目将对这一技术进行深入研究，对间接烧蚀等离子体的特征参数时空演化特性和元素辐射的时空演化特性进行分析，深入阐释IA-LIBS探测的增强机理。通过机油中磨损金属元素和非金属元素的探测分析，分别建立对机油性能的评价体系，将其应用到现场样品的检测，最终形成一种诊断机油性能与发动机磨损状况的评价方法。该研究将完善IA-LIBS的方法研究，促进机油性能检测的发展，对发动机运转状况的诊断具有重要的科学意义。

机油作为发动机的“血液”，对于保障发动机的灵活运转具有重要的作用。但是随着发动机的运转，机油的成分和磨损元素的含量发生变化，导致机油性能下降，加剧发动机的磨损，从而诱导发动机出现不可逆的损害。本项目以发动机中的机油为研究对象，提出了一种基于间接烧蚀激光诱导击穿光谱（IA-LIBS）的全新检测方法，取得的主要研究成果为：（1）改造优化了间接烧蚀LIBS实验装置，重新验证了间接烧蚀LIBS的增强探测机理，获得了探测机油中磨损元素的最佳探测参数（探测时间为1μs到3μs）；（2）利用间接烧蚀LIBS技术实现了机油中磨损金属元素（Cu、Ti、Fe、Ni）和磨损非金属元素（CN、C2）的定性和定量分析，结果表明，磨损金属元素的综合定标曲线可以克服不同油种的基体效应以完成相应元素的定量分析，磨损非金属元素的定标曲线可以实现发动机不同时间段的机油中相应的非金属元素的演化分析；（3）建立了间接烧蚀LIBS技术对机油性能的评价方法，利用发动机不同运转时间段中的CN和C2分子辐射的特性，可以评估机油的性能，已完成是否更换机油的预判，以防止严重事故的发生；（4）研究了类似油膜样品的金属氧化物纳米薄膜的LIBS分析方法，实现了铜铟镓硒太阳能电池薄膜和铝铟锡透明导电薄膜中元素的含量比例的定量分析，建立了LIBS分析探测与其光电性能的联系。本项目研究成果为机油中磨损元素的探测提供了一种测量方法，同时为LIBS技术应用到薄膜材料领域的检测提供了新手段。在项目资助下，以项目负责人为一作或者通讯作者发表SCI/EI、核心论文11篇，参加国内学术会议3次，培养硕士研究生3名。