科研進(jìn)展
蘭州化物所原位機械/摩擦化學(xué)體系構建的自適應潤滑研究取得新進(jìn)展
機械誘導的摩擦化學(xué)反應能調控界面摩擦狀態(tài)，成為潤滑材料優(yōu)異摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵。但傳統意義的摩擦化學(xué)研究大多聚焦于潤滑材料在摩擦過(guò)程中的表界面化學(xué)現象，由現象推導過(guò)程，再回饋于潤滑材料的研發(fā)設計。理想的潤滑劑能針對高端機械裝備服役過(guò)程中不同工況的變化進(jìn)行“自我調控”來(lái)滿(mǎn)足復雜多變的服役工況，這意味著(zhù)潤滑體系具有自適應特性。然而，目前還沒(méi)有任何體系具有這種特點(diǎn)，這成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)難題和技術(shù)挑戰。同時(shí)，結合當今潤滑材料逐漸向“功能化”“智能化”“自適應”等發(fā)展的特點(diǎn)，回歸其“力化學(xué)”的本質(zhì)，巧妙利用摩擦力及界面相互作用，對摩擦化學(xué)體系的有序設計、創(chuàng )新豐富摩擦化學(xué)理論、綠色可持續性潤滑材料的發(fā)展等有重要意義。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗室材料表面與界面研究團隊從機械化學(xué)和摩擦化學(xué)的共性科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，將機械化學(xué)界面有序設計策略引入到摩擦化學(xué)的研究思路中，創(chuàng )新性地提出了基于界面摩擦誘導的原位click摩擦化學(xué)反應（tribo-click）構建的自適應潤滑。這種新穎的定向誘導自適應潤滑體系將機械化學(xué)與經(jīng)典的click反應相結合，在金屬銅滑動(dòng)界面上原位生成三氮唑類(lèi)活性產(chǎn)物，其中銅既是滑動(dòng)摩擦副，更是tribo-click反應的催化源（亞銅離子）（圖1）。與傳統的界面改性不同，這里摩擦剪切作用力既是參與者又是受益者，摩擦作為動(dòng)力實(shí)時(shí)地催化銅界面上的摩擦化學(xué)反應，生成的活性產(chǎn)物即時(shí)地補償界面磨損消耗并立即形成摩擦膜保護滑動(dòng)界面?？梢?jiàn)，“取之摩擦，用之摩擦”這一巧妙策略，是實(shí)現自適應潤滑的關(guān)鍵。
圖1. 界面摩擦誘導原位tribo-click自潤滑體系示意圖
研究結果表明：在高承載和多工況條件下，原位tribo-click體系都能高效地實(shí)現摩擦降低，并在礦物油和合成基礎油中均表現出優(yōu)異的自適應潤滑性（圖2）。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明：原位tribo-click自潤滑體系實(shí)現了界面摩擦膜的形成、消耗和補給的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程（圖3），這歸功于原位活性產(chǎn)物在界面上的延伸平行吸附模型和接觸區富集機制。因此，界面摩擦誘導原位tribo-click自潤滑體系在系統設計和性能優(yōu)化方面，豐富了智能自適應潤滑體系的研究。同時(shí)，這種減摩抗磨的概念驗證策略將徹底改變潤滑體系的未來(lái)設計，對機械工程中的潤滑系統和技術(shù)的新發(fā)展具有重要意義和價(jià)值。相關(guān)研究成果以“Friction induced mechanochemistry: self-adaptive lubrication through in-situ tribo-click system”為題發(fā)表在 Chemical Engineering Journal (2023,454,139722), DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139772上，中國科學(xué)院大學(xué)博士董瑞為論文第一作者，周峰研究員、蔡美榮研究員為通訊作者。
圖2.界面摩擦誘導原位tribo-click自潤滑體系摩擦學(xué)性能
圖3.界面摩擦誘導原位tribo-click自適應潤滑體系分子動(dòng)力學(xué)模擬
同時(shí)，該團隊與蘭州大學(xué)梁永民教授團隊合作，巧妙利用高反應活性缺陷表面的構建策略，結合納米銅顆粒在摩擦過(guò)程中的修復效應，在鋼/鋼摩擦界面上構筑了“鐵夾雜銅”的“新鮮表面”，進(jìn)一步使原位摩擦點(diǎn)擊化學(xué)反應（tribo-click）構建的自適應潤滑體系得以在高載荷條件的鋼/鋼摩擦界面成功實(shí)現定向誘導（圖4）。研究者利用離子液體的極性吸附和納米銅的修復效應，在鋼/鋼摩擦過(guò)程中，實(shí)現了點(diǎn)擊化學(xué)的定向誘導，并研究了其獨特的表界面行為（圖5），實(shí)現了在工業(yè)應用更為廣泛的鋼/鋼摩擦配副和多種基礎油中的原位自潤滑體系的構建。
圖4.原位點(diǎn)擊摩擦化學(xué)反應（tribo-click）自適應潤滑體系在鋼鋼摩擦配副上的構建示意圖、減摩性能及其潤滑機理
研究結果表明：該體系憑借摩擦化學(xué)的動(dòng)態(tài)性和點(diǎn)擊化學(xué)的普適性，在多種基礎油中實(shí)現了優(yōu)異的潤滑穩定性，展現出極大的工業(yè)應用潛能。同時(shí)，該體系獨特的界面行為能夠在摩擦界面高效吸附，克服了傳統潤滑體系在不同基礎油中溶解性差的難題，在苛刻條件下用作鋼/鋼摩擦配副表現出優(yōu)異的減摩效果（圖4）。此外，不同于外源性添加劑，該摩擦化學(xué)反應體系在摩擦力的驅動(dòng)下原位生成“潤滑添加劑”，其直接作用于滑動(dòng)界面形成了多金屬雙重吸附的摩擦化學(xué)反應膜（圖5），在節省人力物力的同時(shí)，展現出了極強的綠色可持續性和自適應潤滑特性。目前，該潤滑調控體系已獲中國發(fā)明專(zhuān)利授權（ZL 202210065887.7）。相關(guān)成果以“Tribological gain enabled by synergy of copper nanoparticles and friction induced in-situ tribo-click reaction”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (2022), DOI: https://doi.org/10.1039/D2TA06570C上，蘭州大學(xué)聯(lián)合培養碩士生徐浩喆為論文第一作者，蔡美榮研究員，王新剛助理研究員、蘭州大學(xué)梁永民教授為通訊作者。
圖5.該體系構建的多金屬雙重吸附的摩擦化學(xué)反應膜
以上研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項目、甘肅省杰出青年基金項目的支持。
