超潤滑（Superlubricity）是指摩擦系數(shù)小于0.01時(shí)的潤滑狀態(tài)。超潤滑技術(shù)的發(fā)展可大大降低能源消耗和經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的有效手段之一。然而，目前大部分超潤滑狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)仍需較長的磨合期，長時(shí)間的磨合使摩擦副在未達(dá)到超潤滑狀態(tài)時(shí)就可能已發(fā)生了嚴(yán)重磨損。因此，如何設(shè)計(jì)具備超短磨合期的超潤滑材料成為該領(lǐng)域的技術(shù)難題。

　　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(yàn)室王道愛研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了多種基于天然有機(jī)酸的液體超潤滑材料，在宏觀尺度液體超潤滑研究方面取得系列進(jìn)展，將磨合期縮短至幾秒內(nèi)。

　　研究人員利用單寧酸和聚乙二醇之間的氫鍵相互作用，研發(fā)了一種新型綠色環(huán)保液體超潤滑材料，該潤滑劑可將氮化硅球與玻璃之間達(dá)到超潤滑狀態(tài)的磨合期縮短至9s，摩擦系數(shù)低至0.005（圖1）。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種新型天然超潤滑材料-植酸水溶液，其超潤滑狀態(tài)在較低接觸應(yīng)力下（0.4MPa）至少可維持13h，且該潤滑劑可在聚二甲基硅氧烷（PDMS）與金屬、聚合物和無機(jī)非金屬等多種摩擦副材料之間實(shí)現(xiàn)快速超潤滑（圖2）。相關(guān)研究成果發(fā)表在Friction（2023,11,748-762）和Tribology International（2023, 183, 108387）上，并獲中國發(fā)明專利授權(quán)兩項(xiàng)（ZL 202111457707.1；ZL 202210561423.5）。

圖1.聚乙二醇-單寧酸液體超潤滑材料的設(shè)計(jì)制備

圖2.植酸水溶液超潤滑性能的普適性

　　近日，研究人員在液體超潤滑體系設(shè)計(jì)方面再次取得新進(jìn)展，將磨合時(shí)間縮短到1秒內(nèi)。該研究利用植酸、多元醇以及水分子的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有超短磨合期（~1s）、極低磨損率（2.51 × 10^-9 mm³·N^-1·m^-1）和高承載能力（758MPa）的宏觀液體超潤滑（摩擦系數(shù)為0.006）。采用Hamrock-Dowson公式計(jì)算分析，確定了該超潤滑劑的潤滑狀態(tài)為全膜潤滑（流體動力潤滑），潤滑膜的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過摩擦副表面的等效粗糙度，從而有效避免了兩界面粗糙峰之間的直接接觸。潤滑劑中的植酸分子能在短時(shí)間內(nèi)快速吸附到摩擦副的表面，這可能是該超潤滑材料可在超短磨合期后實(shí)現(xiàn)超潤滑的關(guān)鍵因素之一。此外，錨定在摩擦副之間的水分子以及植酸-多元醇之間的強(qiáng)氫鍵作用使得該潤滑劑同時(shí)具有低摩擦和高承載能力（圖3）。該研究為設(shè)計(jì)具有超短磨合期的液體超潤滑材料提供了新的研究思路和技術(shù)支撐。

圖3.植酸-多元醇水溶液的液體超潤滑性能以及機(jī)理示意圖

　　該研究工作以“Macroscale Superlubricity with Ultralow Wear and Ultrashort Running-In Period (～1s) through Phytic Acid-Based Complex Green Liquid Lubricants”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c22402），中國科學(xué)院大學(xué)杜長合博士生和蘭州化物所于童童助理研究員為論文第一作者，王道愛研究員為通訊作者。

　　上述幾種基于天然有機(jī)酸的液體超潤滑材料具有綠色環(huán)保、性能優(yōu)異、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有望在金屬切削加工和生物醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，該團(tuán)隊(duì)正在積極推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化。

　　以上工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目、甘肅省重大科技專項(xiàng)及蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)培育項(xiàng)目等的支持。