科研進展
蘭州化物所工程導向固體超滑研究獲新進展
摩擦磨損是運動機械普遍存在的現(xiàn)象。據統(tǒng)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(wěn)定、長壽命潤滑技術是摩擦科學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)有材料潤滑性能極限的新概念技術，指摩擦系數(shù)(μ)在0.001量級及以下的摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)和能耗均比傳統(tǒng)潤滑低1-2個數(shù)量級，超滑技術對設備運行可靠性和能耗具有變革性影響。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所先進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展，提出了“催化超滑”與“熱-力場誘導超滑”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、超滑類富勒烯含氫碳膜結構依賴性強的問題，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現(xiàn)工程超滑的新方法。在宏觀尺度上實現(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光譜證實了石墨烯缺陷接枝了類烯烴結構(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的超低剪切界面(圖2)，實現(xiàn)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決定性作用，它不僅降低摩擦表面的能量，同時會降低催化轉化的勢壘，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·化學》(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(xiàn)象，研究人員提出“熱-力場”誘導非晶二硫化物(MoS2/WS2)原位生成有序二維MoS2/WS2結構，與非晶碳網絡形成異質非公度接觸實現(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存在，使MoS2/a-C:H摩擦副實現(xiàn)了開放環(huán)境下的超滑(圖4)。
圖3 二硫化鉬/非晶碳異質非公度接觸超滑過程示意圖
相關研究成果以“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)明專利授權18件、美國發(fā)明專利1件、日本發(fā)明專利1件。目前正積極推動固體超滑密封、驅動傳動件和滑/滾動軸承的應用工作。
圖5 已經提交的部分軸承的照片
以上研究工作得到了國家重點研發(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)新促進會和蘭州化物所“一三五”重點培育項目的支持。
