科研進(jìn)展
蘭州化物所工程尺度超潤滑研究獲新進(jìn)展
超潤滑源自非公度接觸效應(yīng)，可使摩擦系數(shù)低至10-3量級及以下，其工程實(shí)現(xiàn)有望重新定義機(jī)械系統(tǒng)能量傳輸效率、精度、速度、壽命等性能邊界，帶來工業(yè)水平的變革性進(jìn)步。自該概念提出近四十年來，超潤滑已從微納尺度逐步拓展至宏觀尺度，但受限于工業(yè)機(jī)械實(shí)際工況大接觸尺寸、重載受力與活性運(yùn)行環(huán)境等多重耦合影響，在工程尺度超潤滑一直未能實(shí)現(xiàn)。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心磨損與表面工程課題組提出了一種基于歸一化接觸理念的工程超潤滑設(shè)計(jì)原理，建立了從“宏觀接觸-微納界面-分子構(gòu)型-原子晶格”跨尺度結(jié)構(gòu)協(xié)同調(diào)控方法，并與武漢大學(xué)歐陽穩(wěn)根教授團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合理論模擬和實(shí)驗(yàn)揭示了摩擦界面晶格匹配的動(dòng)態(tài)微觀演變與超滑機(jī)理，在工程級接觸尺寸（毫米級）、極端高接觸應(yīng)力（12.7 GPa）及實(shí)際大氣環(huán)境（40% RH）下獲得了穩(wěn)健的超潤滑性能，對推動(dòng)超潤滑走向工程化具有重要意義。
超潤滑工程尺度實(shí)現(xiàn)面臨三大核心挑戰(zhàn)，即大尺度接觸面的隨機(jī)無序性導(dǎo)致超潤滑失控、高接觸壓力下界面形變導(dǎo)致超潤滑失效、大氣環(huán)境活性氣氛引發(fā)界面摩擦化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致超潤滑失穩(wěn)。針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)從“宏觀接觸-微納界面-分子構(gòu)型-原子晶格”跨尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐級設(shè)計(jì)。首先，基于歸一化接觸思想，通過激光織構(gòu)構(gòu)建規(guī)則的接觸陣列，將宏觀面接觸歸一化為無數(shù)等同的微米級單元接觸，使每個(gè)單元的接觸狀態(tài)（面積、形狀、 受力等）保持一致，這樣界面潤滑材料在同一接觸狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變化也趨于一致，整體變得可控（圖1）；其次，在每個(gè)接觸單元表面構(gòu)筑剛性非晶類金剛石碳（DLC）膜層/柔性晶體MoS2配副滑移元界面，剛?cè)峤Y(jié)合有力削弱接觸界面在極端高接觸壓力下的形變；進(jìn)一步采用MXene作為增強(qiáng)與錨定劑，使晶體MoS2在極端高接觸壓力和大氣環(huán)境下保持完整的層狀結(jié)構(gòu)，減少了缺陷與邊緣的不利影響，賦予其抵抗水分子和氧氣氧化能力，從而維持超潤滑界面的穩(wěn)定。最后，揭示了運(yùn)動(dòng)過程中原子晶格匹配的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)微觀機(jī)制（圖2），即非公度態(tài)向公度態(tài)轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)了非晶DLC/晶體MoS2永久非公度接觸特性，從根本上消除了晶格匹配所導(dǎo)致的原子互鎖。
基于以上協(xié)同作用（圖3），實(shí)現(xiàn)了在毫米級接觸尺寸、12.7 GPa高接觸應(yīng)力及40% RH大氣環(huán)境下穩(wěn)健的超潤滑性能（平均摩擦系數(shù)0.008，磨損壽命超過1×105次循環(huán)）。取得超潤滑性能的工況條件已經(jīng)達(dá)到甚至超過實(shí)際零部件運(yùn)行工況的惡劣程度，突破了之前超潤滑對接觸尺寸、載荷和環(huán)境的耐受范圍，為工程尺度超潤滑設(shè)計(jì)提供了新思路，有助于推動(dòng)超潤滑技術(shù)在航空航天、先進(jìn)制造及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的工程應(yīng)用。
相關(guān)研究成果以“Engineering-Grade Macroscale Superlubricity Under Ultrahigh Contact Pressure in Atmospheric Air via Multiscale Synergistic Meta-Interfaces”為題發(fā)表在Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202520241）上，蘭州化物所王婉博士和武漢大學(xué)丁子峻博士為論文共同第一作者，蘭州化物所吉利研究員、李畔畔助理研究員和武漢大學(xué)歐陽穩(wěn)根教授為共同通訊作者。
該工作得到了中國科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中央高?；A(chǔ)科研基金和甘肅省隴原青年人才等項(xiàng)目資助。
圖1. 歸一化接觸超潤滑設(shè)計(jì)及構(gòu)筑
圖2. 晶體/晶體和非晶/晶體摩擦界面晶格匹配動(dòng)態(tài)演變機(jī)制
圖3. 工程尺度超潤滑性能及跨尺度結(jié)構(gòu)協(xié)同作用機(jī)理
