蘭州化物所宏觀尺度超潤滑研究取得新進展

  “超潤滑”是近代摩擦學研究的一個重要科學發現,源于1990年左右提出的“結構超潤滑”理論預測:當兩個理想、平坦的剛性晶面以非公度接觸方式發生相對運動時,上下表面間的原子勢作用相互抵消,滑移勢壘為零,出現摩擦力消失或接近為零的現象。“結構超潤滑”理論的工程實現將有望為節能降耗、機械裝備設計帶來革命性的進步。通過近30年的研究,目前可以在一些理想的層狀晶體材料(如高定向石墨)表面實現納米以及微米接觸尺度的“結構超潤滑”,但在宏觀工程接觸尺度,材料表面不可避免存在無序、吸附和缺陷等,如何實現宏觀接觸尺度的超潤滑已成為目前研究的焦點和工程化應用的關鍵瓶頸。

  近期,中國科學院蘭州化學物理研究所磨損與表面工程課題組提出宏觀尺度實現“結構超潤滑”表/界面設計的新方法,在工程基材表面、宏觀接觸條件下獲得了魯棒超潤滑性能, 實現了“結構超潤滑”由微納尺度向宏觀工程尺度的邁進,對推動超潤滑新概念技術實現工程應用具有重要意義。

整體設計思路示意圖

  研究工作基于兩個核心設計思想:首先,基于微納接觸尺度更容易滿足結構超潤滑的理想獲得條件的考慮,在工程粗糙的基材表面通過激光刻蝕等表面處理技術主動構筑微納凹凸體,將宏觀的面接觸分解為無數的微納點接觸;然后,在表面設計制備特殊的異質二維納米結構潤滑層,通過對層-層接觸滑移方式、層間弱的化學相互作用和非公度的晶格匹配的控制,在每個接觸點上獲得超潤滑態,大量接觸點組合形成了整個接觸面上的宏觀超潤滑。利用球-盤摩擦試驗機進行評價,在0.5 GPa的接觸應力下,工程粗糙的鋼-鋼接觸摩擦副間獲得了穩定、長效的超潤滑性能(摩擦系數0.007,壽命大于1×106轉)。進一步通過復合粘結劑,制備粘結潤滑涂層,在高接觸應力(1.3 GPa)下仍然保持了超潤滑特性,展現出優異的工程實用價值。

異質非公度摩擦界面結構的設計

  研究發現:當共價/離子型異質二維疊層復合時,展現出顯著的協同潤滑效應。共價型化合物(如石墨烯)以共用電子對的方式成鍵,具有定向性和飽和性,在滑動過程中相鄰層面缺陷位置的懸鍵會發生強烈的化學作用。而離子型化合物(如二硫化鉬)靠正負離子間的吸引作用,不具有定向性和飽和性,即使發生局部缺陷離子的丟失,周圍的離子也會進行補充屏蔽,弱化其與外部的相互作用。共價/離子疊層復合設計可以有效阻隔共價化合物相鄰層間的強化學相互作用,極大地削弱宏觀摩擦過程中缺陷、棱邊鍵等的不利作用。同時,異質晶格匹配在宏觀摩擦過程中同樣展現出天然非公度性,可以不依賴于滑移角度實現超潤滑狀態。該理論認識可以很好解釋傳統石墨與二硫化鉬復合材料的協同潤滑作用機制。

基材表面織構形貌的設計與宏觀超潤滑性能的實現

  上述研究結果近期在線發表在Advanced Materials(論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002039)上,博士生李畔畔為論文第一作者,吉利(中科院青年創新促進會會員)、李紅軒和陳建敏研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、航天聯合基金和中科院青促會項目的資助。

未經中國科學院蘭州化學物理研究所書面特別授權,請勿轉載或建立鏡像,違者依法必究
满堂彩-官网直营