科研進(jìn)展
蘭州化物所原位機(jī)械/摩擦化學(xué)體系構(gòu)建的自適應(yīng)潤滑研究取得新進(jìn)展
機(jī)械誘導(dǎo)的摩擦化學(xué)反應(yīng)能調(diào)控界面摩擦狀態(tài)，成為潤滑材料優(yōu)異摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵。但傳統(tǒng)意義的摩擦化學(xué)研究大多聚焦于潤滑材料在摩擦過程中的表界面化學(xué)現(xiàn)象，由現(xiàn)象推導(dǎo)過程，再回饋于潤滑材料的研發(fā)設(shè)計(jì)。理想的潤滑劑能針對高端機(jī)械裝備服役過程中不同工況的變化進(jìn)行“自我調(diào)控”來滿足復(fù)雜多變的服役工況，這意味著潤滑體系具有自適應(yīng)特性。然而，目前還沒有任何體系具有這種特點(diǎn)，這成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。同時，結(jié)合當(dāng)今潤滑材料逐漸向“功能化”“智能化”“自適應(yīng)”等發(fā)展的特點(diǎn)，回歸其“力化學(xué)”的本質(zhì)，巧妙利用摩擦力及界面相互作用，對摩擦化學(xué)體系的有序設(shè)計(jì)、創(chuàng)新豐富摩擦化學(xué)理論、綠色可持續(xù)性潤滑材料的發(fā)展等有重要意義。
近日，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)室材料表面與界面研究團(tuán)隊(duì)從機(jī)械化學(xué)和摩擦化學(xué)的共性科學(xué)問題出發(fā)，將機(jī)械化學(xué)界面有序設(shè)計(jì)策略引入到摩擦化學(xué)的研究思路中，創(chuàng)新性地提出了基于界面摩擦誘導(dǎo)的原位click摩擦化學(xué)反應(yīng)（tribo-click）構(gòu)建的自適應(yīng)潤滑。這種新穎的定向誘導(dǎo)自適應(yīng)潤滑體系將機(jī)械化學(xué)與經(jīng)典的click反應(yīng)相結(jié)合，在金屬銅滑動界面上原位生成三氮唑類活性產(chǎn)物，其中銅既是滑動摩擦副，更是tribo-click反應(yīng)的催化源（亞銅離子）（圖1）。與傳統(tǒng)的界面改性不同，這里摩擦剪切作用力既是參與者又是受益者，摩擦作為動力實(shí)時地催化銅界面上的摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成的活性產(chǎn)物即時地補(bǔ)償界面磨損消耗并立即形成摩擦膜保護(hù)滑動界面?？梢姡叭≈Σ?，用之摩擦”這一巧妙策略，是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)潤滑的關(guān)鍵。
圖1. 界面摩擦誘導(dǎo)原位tribo-click自潤滑體系示意圖
研究結(jié)果表明：在高承載和多工況條件下，原位tribo-click體系都能高效地實(shí)現(xiàn)摩擦降低，并在礦物油和合成基礎(chǔ)油中均表現(xiàn)出優(yōu)異的自適應(yīng)潤滑性（圖2）。分子動力學(xué)模擬表明：原位tribo-click自潤滑體系實(shí)現(xiàn)了界面摩擦膜的形成、消耗和補(bǔ)給的動態(tài)平衡過程（圖3），這歸功于原位活性產(chǎn)物在界面上的延伸平行吸附模型和接觸區(qū)富集機(jī)制。因此，界面摩擦誘導(dǎo)原位tribo-click自潤滑體系在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化方面，豐富了智能自適應(yīng)潤滑體系的研究。同時，這種減摩抗磨的概念驗(yàn)證策略將徹底改變潤滑體系的未來設(shè)計(jì)，對機(jī)械工程中的潤滑系統(tǒng)和技術(shù)的新發(fā)展具有重要意義和價值。相關(guān)研究成果以“Friction induced mechanochemistry: self-adaptive lubrication through in-situ tribo-click system”為題發(fā)表在 Chemical Engineering Journal (2023,454,139722), DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139772上，中國科學(xué)院大學(xué)博士董瑞為論文第一作者，周峰研究員、蔡美榮研究員為通訊作者。
圖2.界面摩擦誘導(dǎo)原位tribo-click自潤滑體系摩擦學(xué)性能
圖3.界面摩擦誘導(dǎo)原位tribo-click自適應(yīng)潤滑體系分子動力學(xué)模擬
同時，該團(tuán)隊(duì)與蘭州大學(xué)梁永民教授團(tuán)隊(duì)合作，巧妙利用高反應(yīng)活性缺陷表面的構(gòu)建策略，結(jié)合納米銅顆粒在摩擦過程中的修復(fù)效應(yīng)，在鋼/鋼摩擦界面上構(gòu)筑了“鐵夾雜銅”的“新鮮表面”，進(jìn)一步使原位摩擦點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)（tribo-click）構(gòu)建的自適應(yīng)潤滑體系得以在高載荷條件的鋼/鋼摩擦界面成功實(shí)現(xiàn)定向誘導(dǎo)（圖4）。研究者利用離子液體的極性吸附和納米銅的修復(fù)效應(yīng)，在鋼/鋼摩擦過程中，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)擊化學(xué)的定向誘導(dǎo)，并研究了其獨(dú)特的表界面行為（圖5），實(shí)現(xiàn)了在工業(yè)應(yīng)用更為廣泛的鋼/鋼摩擦配副和多種基礎(chǔ)油中的原位自潤滑體系的構(gòu)建。
圖4.原位點(diǎn)擊摩擦化學(xué)反應(yīng)（tribo-click）自適應(yīng)潤滑體系在鋼鋼摩擦配副上的構(gòu)建示意圖、減摩性能及其潤滑機(jī)理
研究結(jié)果表明：該體系憑借摩擦化學(xué)的動態(tài)性和點(diǎn)擊化學(xué)的普適性，在多種基礎(chǔ)油中實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的潤滑穩(wěn)定性，展現(xiàn)出極大的工業(yè)應(yīng)用潛能。同時，該體系獨(dú)特的界面行為能夠在摩擦界面高效吸附，克服了傳統(tǒng)潤滑體系在不同基礎(chǔ)油中溶解性差的難題，在苛刻條件下用作鋼/鋼摩擦配副表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩效果（圖4）。此外，不同于外源性添加劑，該摩擦化學(xué)反應(yīng)體系在摩擦力的驅(qū)動下原位生成“潤滑添加劑”，其直接作用于滑動界面形成了多金屬雙重吸附的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜（圖5），在節(jié)省人力物力的同時，展現(xiàn)出了極強(qiáng)的綠色可持續(xù)性和自適應(yīng)潤滑特性。目前，該潤滑調(diào)控體系已獲中國發(fā)明專利授權(quán)（ZL 202210065887.7）。相關(guān)成果以“Tribological gain enabled by synergy of copper nanoparticles and friction induced in-situ tribo-click reaction”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (2022), DOI: https://doi.org/10.1039/D2TA06570C上，蘭州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生徐浩喆為論文第一作者，蔡美榮研究員，王新剛助理研究員、蘭州大學(xué)梁永民教授為通訊作者。
圖5.該體系構(gòu)建的多金屬雙重吸附的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜
以上研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、甘肅省杰出青年基金項(xiàng)目的支持。
