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象。據統計，摩擦消耗1/3的一次能源，磨損導致60%的機械部件失效。構建低摩擦、高穩定、長壽命潤滑技術是摩擦科學一直以來努力的方向。“超滑”是近年來提出的能極大突破現有材料潤滑性能極限的新概念技術，指摩擦系數(μ)在0.001量級及以下的摩擦狀態，摩擦系數和能耗均比傳統潤滑低1-2個數量級，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”“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，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，科研人員提出了“催化超滑”概念，設計出金催化非晶含氫碳薄膜原位生成石墨烯實現工程超滑的新方法。該方法在宏觀尺度上實現了超滑狀態，摩擦系數為0.003~0.009（載荷3~10N），而不含氫的碳薄膜，即使使用金催化劑，摩擦系數仍較高。實驗表明，界面結構轉變主要發生在磨合期，摩擦激發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。模擬結果表明，氫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間形成易于滑動的超低剪切界面，實現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。

　　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》為題發表在《中國科學·化學》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為題發表在Carbon上。

　　基于摩擦界面原位形成二維結構超滑的現象，科研人員提出“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宏觀超滑的新方法，摩擦系數低為0.003~0.008（載荷3~11N）。發現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摩擦副實現了開放環境下的超滑。相關研究成果以Macro superlubricity of 2D disulphide/amorphous carbon heterogeneous via tribochemistry為題發表在Materials Today Nano上。

　　該研究在固體超滑研究方面獲中國發明ZL授權18件、美國發明ZL1件、日本發明ZL1件。目前正積極推動固體超滑密封、驅動傳動件及滑/滾動軸承的應用工作。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家科技創新2030-重大項目、中科院青年創新促進會和中科院蘭州化物所“一三五”重點培育項目等的支持。