科研進(jìn)展
蘭州化物所工程導向固體超滑研究獲新進(jìn)展
摩擦磨損是運動(dòng)機械普遍存在的現象。據統計，摩擦消耗了1/3的一次能源，磨損導致了60%的機械部件失效。構建低摩擦、高穩定、長(cháng)壽命潤滑技術(shù)是摩擦科學(xué)一直以來(lái)努力的方向?！俺笔墙陙?lái)提出的一種能極大突破現有材料潤滑性能極限的新概念技術(shù)，指摩擦系數(μ)在0.001量級及以下的摩擦狀態(tài)，摩擦系數和能耗均比傳統潤滑低1-2個(gè)數量級，超滑技術(shù)對設備運行可靠性和能耗具有變革性影響。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤滑與防護材料研發(fā)中心納米潤滑課題組在工程導向固體超滑新體系方面取得系列進(jìn)展，提出了“催化超滑”與“熱-力場(chǎng)誘導超滑”兩種新模式。
受催化制備石墨烯、碳納米管的啟發(fā)，針對二維超滑材料難以工程應用、超滑類(lèi)富勒烯含氫碳膜結構依賴(lài)性強的問(wèn)題，研究人員提出了“催化超滑”概念，設計出一種金催化非晶含氫碳薄膜原位生成石墨烯實(shí)現工程超滑的新方法。在宏觀(guān)尺度上實(shí)現了超滑狀態(tài)，摩擦系數為0.003~0.009（載荷3~10N），而不含氫的碳薄膜，即使使用金催化劑，摩擦系數仍較高。實(shí)驗表明，界面結構轉變主要發(fā)生在磨合期(圖1)，摩擦激發(fā)金屬催化非晶含氫碳薄膜原位形成石墨烯納米帶，Raman光譜證實(shí)了石墨烯缺陷接枝了類(lèi)烯烴結構(圖1)。模擬結果表明H原子的存在減小了界面電子局域性，降低了界面勢能，使非晶碳與石墨烯堆疊結構之間形成易于滑動(dòng)的超低剪切界面(圖2)，實(shí)現了惰性氣氛下的超滑。
在金屬催化非晶碳材料轉化方面，除催化劑、摩擦熱和摩擦剪切力，氫在超滑體系中起到?jīng)Q定性作用，它不僅降低摩擦表面的能量，同時(shí)會(huì )降低催化轉化的勢壘，有望成為未來(lái)催化超滑研究的主要方向。
圖1 磨合期(200s)與摩擦30min的Raman光譜
Au球/a-C:H薄膜異質(zhì)配副超滑的研究成果以“催化超滑:金催化作用下非晶含氫碳薄膜的工程超滑”為題發(fā)表在《中國科學(xué)·化學(xué)》(2020,50:1–8)上，Au@a-C:H雙層薄膜超滑以“Catalytic superlubricity via in-situ formation of graphene during sliding friction on Au@a-C:H Films”為題發(fā)表在Carbon (2022,186,180–192)上。
圖2 催化超滑機理示意圖
基于摩擦界面原位形成二維結構超滑的現象，研究人員提出“熱-力場(chǎng)”誘導非晶二硫化物(MoS2/WS2)原位生成有序二維MoS2/WS2結構，與非晶碳網(wǎng)絡(luò )形成異質(zhì)非公度接觸實(shí)現宏觀(guān)超滑的新方法，摩擦系數低為0.003~0.008（載荷3~11N）(圖3)。發(fā)現界面摩擦熱定向傳導使非晶二硫化鉬有序化，并在剪切力作用下在摩擦界面平行排列。多界面非公度接觸及H飽和弱剪切摩擦界面同時(shí)存在，使MoS2/a-C:H摩擦副實(shí)現了開(kāi)放環(huán)境下的超滑(圖4)。
圖3 二硫化鉬/非晶碳異質(zhì)非公度接觸超滑過(guò)程示意圖
相關(guān)研究成果以“Macro superlubricity of 2D disulphide/amorphous carbon heterogeneous via tribochemistry”為題發(fā)表在Materials Today Nano(2023,21:100286)上。
博士生賈倩和特別研究助理楊再秀博士為上述論文的共同第一作者，張斌研究員和張俊彥研究員為通訊作者。高凱雄副研究員和張興凱副研究員參與了主體研究工作。
圖4 二硫化鉬/非晶碳異質(zhì)非公度接觸超滑機制
在固體超滑研究方面獲中國發(fā)明專(zhuān)利授權18件、美國發(fā)明專(zhuān)利1件、日本發(fā)明專(zhuān)利1件。目前正積極推動(dòng)固體超滑密封、驅動(dòng)傳動(dòng)件和滑/滾動(dòng)軸承的應用工作。
圖5 已經(jīng)提交的部分軸承的照片
以上研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家科技創(chuàng )新2030-重大項目、國家級青年人才項目、中科院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )和蘭州化物所“一三五”重點(diǎn)培育項目的支持。
