摩擦磨損是運(yùn)動(dòng)機(jī)械普遍存在的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，摩擦消耗了1/3的一次能源，磨損導(dǎo)致了60%的機(jī)械部件失效。構(gòu)建低摩擦、高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑技術(shù)是摩擦科學(xué)一直以來努力的方向?！俺笔墙陙硖岢龅囊环N能極大突破現(xiàn)有材料潤(rùn)滑性能極限的新概念技術(shù)，指摩擦系數(shù)(μ)在0.001量級(jí)及以下的摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)和能耗均比傳統(tǒng)潤(rùn)滑低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，超滑技術(shù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性和能耗具有變革性影響。 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤(rùn)滑與防護(hù)材料研發(fā)中心納米潤(rùn)滑課題組在工程導(dǎo)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(dǎo)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(duì)二維超滑材料難以工程應(yīng)用、超滑類富勒烯含氫碳膜結(jié)構(gòu)依賴性強(qiáng)的問題，研究人員提出了“催化超滑”概念，設(shè)計(jì)出一種金催化非晶含氫碳薄膜原位生成石墨烯實(shí)現(xiàn)工程超滑的新方法。在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)了超滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)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(shù)仍較高。實(shí)驗(yàn)表明，界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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烯烴結(jié)構(gòu)(圖1)。模擬結(jié)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(shì)能，使非晶碳與石墨烯堆疊結(jié)構(gòu)之間形成易于滑動(dòng)的超低剪切界面(圖2)，實(shí)現(xiàn)了惰性氣氛下的超滑。 

　　在金屬催化非晶碳材料轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化的勢(shì)壘，有望成為未來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(guó)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(jī)理示意圖

　　基于摩擦界面原位形成二維結(jié)構(gòu)超滑的現(xiàn)象，研究人員提出“熱-力場(chǎng)”誘導(dǎo)非晶二硫化物(MoS₂/WS₂)原位生成有序二維MoS₂/WS₂結(jié)構(gòu)，與非晶碳網(wǎng)絡(luò)形成異質(zhì)非公度接觸實(shí)現(xiàn)宏觀超滑的新方法，摩擦系數(shù)低為0.003~0.008（載荷3~11N）(圖3)。發(fā)現(xiàn)界面摩擦熱定向傳導(dǎo)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(xiàn)了開放環(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?xiàng)钤傩悴┦繛樯鲜稣撐牡墓餐谝蛔髡撸瑥埍笱芯繂T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(jī)制

　　在固體超滑研究方面獲中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)18件、美國(guó)發(fā)明專利1件、日本發(fā)明專利1件。目前正積極推動(dòng)固體超滑密封、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)件和滑/滾動(dòng)軸承的應(yīng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)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(xiàng)目的支持。