【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】“超潤滑”是近代摩擦學(xué)研究的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)，源于1990年左右提出的“結(jié)構(gòu)超潤滑”理論預(yù)測：當(dāng)兩個(gè)理想、平坦的剛性晶面以非公度接觸方式發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)，上下表面間的原子勢作用相互抵消，滑移勢壘為零，出現(xiàn)摩擦力消失或接近為零的現(xiàn)象。“結(jié)構(gòu)超潤滑”理論的工程實(shí)現(xiàn)將有望為節(jié)能降耗、機(jī)械裝備設(shè)計(jì)帶來革命性的進(jìn)步。通過多年研究，目前可以在一些理想的層狀晶體材料(如高定向石墨)表面實(shí)現(xiàn)納米以及微米接觸尺度的“結(jié)構(gòu)超潤滑”，但在宏觀工程接觸尺度，材料表面存在無序、吸附和缺陷等，如何實(shí)現(xiàn)宏觀接觸尺度的超潤滑已成為研究的焦點(diǎn)和工程化應(yīng)用的瓶頸。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所磨損與表面工程課題組提出宏觀尺度實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)超潤滑”表/界面設(shè)計(jì)的新方法，在工程基材表面、宏觀接觸條件下獲得魯棒超潤滑性能，實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)超潤滑”由微納尺度向宏觀工程尺度的邁進(jìn)，對推動超潤滑新概念技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用具有重要意義。
研究工作基于兩個(gè)核心設(shè)計(jì)思想：基于微納接觸尺度更易滿足結(jié)構(gòu)超潤滑的理想獲得條件的考慮，在工程粗糙的基材表面通過激光刻蝕等表面處理技術(shù)主動構(gòu)筑微納凹凸體，將宏觀的面接觸分解為無數(shù)的微納點(diǎn)接觸；在表面設(shè)計(jì)制備特殊的異質(zhì)二維納米結(jié)構(gòu)潤滑層，通過對層-層接觸滑移方式、層間弱的化學(xué)相互作用和非公度的晶格匹配的控制，在每個(gè)接觸點(diǎn)上獲得超潤滑態(tài)，大量接觸點(diǎn)組合形成了整個(gè)接觸面上的宏觀超潤滑。利用球-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行評價(jià)，在0.5 GPa的接觸應(yīng)力下，工程粗糙的鋼-鋼接觸摩擦副間獲得了穩(wěn)定、長效的超潤滑性能(摩擦系數(shù)0.007，壽命大于1×106轉(zhuǎn))。進(jìn)一步通過復(fù)合粘結(jié)劑，制備粘結(jié)潤滑涂層，在高接觸應(yīng)力(1.3 GPa)下仍保持超潤滑特性，展現(xiàn)出優(yōu)異的工程實(shí)用價(jià)值。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)共價(jià)/離子型異質(zhì)二維疊層復(fù)合時(shí)，展現(xiàn)出協(xié)同潤滑效應(yīng)。共價(jià)型化合物(如石墨烯)以共用電子對的方式成鍵，具有定向性和飽和性，在滑動過程中相鄰層面缺陷位置的懸鍵會發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)作用。而離子型化合物(如二硫化鉬)靠正負(fù)離子間的吸引作用，不具有定向性和飽和性，即使發(fā)生局部缺陷離子的丟失，周圍的離子也會進(jìn)行補(bǔ)充屏蔽，弱化其與外部的相互作用。共價(jià)/離子疊層復(fù)合設(shè)計(jì)可以有效阻隔共價(jià)化合物相鄰層間的強(qiáng)化學(xué)相互作用，削弱宏觀摩擦過程中缺陷、棱邊鍵等的不利作用。異質(zhì)晶格匹配在宏觀摩擦過程中同樣展現(xiàn)出天然非公度性，可以不依賴于滑移角度實(shí)現(xiàn)超潤滑狀態(tài)。該理論認(rèn)識可以解釋傳統(tǒng)石墨與二硫化鉬復(fù)合材料的協(xié)同潤滑作用機(jī)制。
相關(guān)研究結(jié)果在線發(fā)表在Advanced Materials上，博士生李畔畔為論文第一作者，吉利(中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員)、李紅軒和陳建敏研究員為共同通訊作者。研究工作受到國家自然科學(xué)基金、航天聯(lián)合基金和中科院青促會項(xiàng)目的資助。
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