超滑是近代摩擦學(xué)研究的一個重要分支，指摩擦系數(shù)在10-3量級或更低的潤滑狀態(tài)。超滑有望為節(jié)能降耗、機械裝備設(shè)計帶來變革性的進步。

　　近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)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固體超滑新體系創(chuàng)制方面取得系列進展。

　　研究人員采用“摩擦+催化”結(jié)合的方法，建立了不依賴薄膜沉積工藝，通過外部“催化”調(diào)控摩擦的新體系（圖1）。利用金屬催化作用在碳膜摩擦界面形成石墨烯包裹的金屬顆粒。同時，石墨化外殼起到電子屏蔽效應(yīng)，消除界面粘附強度，實現(xiàn)了宏觀超滑（^~0.008）。石墨化包裹和電子屏蔽是摩擦催化誘導(dǎo)超滑產(chǎn)生的本質(zhì)原因，也是判斷催化導(dǎo)致超滑實現(xiàn)的主要依據(jù)。

圖1 摩擦催化導(dǎo)致超滑示意圖

　　研究人員利用類富勒烯碳膜超彈性，設(shè)計了基于微觀尺度接觸應(yīng)力分散，實現(xiàn)了高承載超滑的新型摩擦配伍體系（圖2）。超彈性分散了施加于二維材料上接觸應(yīng)力，避免應(yīng)力集中引起的二維材料起皺、褶皺或結(jié)構(gòu)破壞，維持二維材料結(jié)構(gòu)完整，并減弱了環(huán)境化學(xué)作用，最終實現(xiàn)了高承載（15 N）、環(huán)境穩(wěn)?。≧H^~40%，^~0.009）、宏觀尺度超滑。超彈性配副解決了結(jié)構(gòu)超滑低承載和環(huán)境敏感等問題，對推動超滑新概念技術(shù)和工程應(yīng)用具有重要意義。

圖2 應(yīng)力分散實現(xiàn)結(jié)構(gòu)超滑示意圖

　　研究人員提出摩擦限域調(diào)控能量耗散的方法，即通過利用磨合期高能量，促進摩擦限域化學(xué)發(fā)生和結(jié)構(gòu)演變，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)近零能量耗散（圖3）。具體為：引入二維層狀材料（過渡金屬硫?qū)倩铮┑教寄つΣ两缑嫔?，將碳膜磨損產(chǎn)物（a-CWPs）裹入二維材料層間，形成TMDC/a-CWPs夾層結(jié)構(gòu)；基于剪切誘導(dǎo)二維限域和載荷驅(qū)動石墨化的協(xié)同作用，夾層結(jié)構(gòu)在磨合階段很容易轉(zhuǎn)變?yōu)槭?TMDC異質(zhì)結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)宏觀超滑（^~0.006）。

　　該研究為在工程粗糙和磨損表面上實現(xiàn)超滑提供了一種簡易方法，也為合成與石墨烯相關(guān)的各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一種有效策略，同時為設(shè)計具有超滑性能的分層異質(zhì)涂層指明發(fā)展方向。該研究工作與瑞士巴塞爾大學(xué)Ernst Meyer教授、瑞典呂勒奧工業(yè)大學(xué)史以俊副教授共同完成。

圖3 摩擦限域促成魯棒性超滑示意圖

　　相關(guān)成果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces (2021, 13, 3397), Chemical Engineering Journal (2022, 431, 133548) 和Advanced Functional Materials (2022, 2111365)上。

　　以上工作得到了國家自然科學(xué)基金和中科院“西部之光”人才等項目的支持。