科研進展
蘭州化物所宏觀尺度液體超潤滑研究獲系列進展
超潤滑（Superlubricity）是指摩擦系數(shù)小于0.01時的潤滑狀態(tài)。超潤滑技術(shù)的發(fā)展可大大降低能源消耗和經(jīng)濟損失，同時也是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的有效手段之一。然而，目前大部分超潤滑狀態(tài)的實現(xiàn)仍需較長的磨合期，長時間的磨合使摩擦副在未達到超潤滑狀態(tài)時就可能已發(fā)生了嚴重磨損。因此，如何設(shè)計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實驗室王道愛研究員團隊設(shè)計開發(fā)了多種基于天然有機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、聚合物和無機非金屬等多種摩擦副材料之間實現(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（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)計方面再次取得新進展，將磨合時間縮短到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，實現(xiàn)了同時具有超短磨合期（~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），潤滑膜的厚度遠遠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-多元醇之間的強氫鍵作用使得該潤滑劑同時具有低摩擦和高承載能力（圖3）。該研究為設(shè)計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，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，該團隊正在積極推進相關(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)基金項目、中科院重點研究計劃項目、甘肅省重大科技專項及蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點培育項目等的支持。
