科研進展
蘭州化物所固體超滑體系創(chuàng)新研究取得新進展
超滑是近代摩擦學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,中國科學院蘭州化學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)境化學作用,最終實現(xiàn)了高承載(15 N)、環(huán)境穩(wěn)健(RH~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Ernst Meyer教授、瑞典呂勒奧工業(yè)大學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基金和中科院“西部之光”人才等項目的支持。