科研進展
蘭州化物所工程尺度超潤滑研究獲新進展
超潤滑源自非公度接觸效應，可使摩擦系數(shù)低至10-3量級及以下，其工程實現(xiàn)有望重新定義機械系統(tǒng)能量傳輸效率、精度、速度、壽命等性能邊界，帶來工業(yè)水平的變革性進步。自該概念提出近四十年來，超潤滑已從微納尺度逐步拓展至宏觀尺度，但受限于工業(yè)機械實際工況大接觸尺寸、重載受力與活性運行環(huán)境等多重耦合影響，在工程尺度超潤滑一直未能實現(xiàn)。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創(chuàng)新中心磨損與表面工程課題組提出了一種基于歸一化接觸理念的工程超潤滑設計原理，建立了從“宏觀接觸-微納界面-分子構型-原子晶格”跨尺度結構協(xié)同調控方法，并與武漢大學歐陽穩(wěn)根教授團隊合作，結合理論模擬和實驗揭示了摩擦界面晶格匹配的動態(tài)微觀演變與超滑機理，在工程級接觸尺寸（毫米級）、極端高接觸應力（12.7 GPa）及實際大氣環(huán)境（40% RH）下獲得了穩(wěn)健的超潤滑性能，對推動超潤滑走向工程化具有重要意義。
超潤滑工程尺度實現(xiàn)面臨三大核心挑戰(zhàn)，即大尺度接觸面的隨機無序性導致超潤滑失控、高接觸壓力下界面形變導致超潤滑失效、大氣環(huán)境活性氣氛引發(fā)界面摩擦化學反應導致超潤滑失穩(wěn)。針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊從“宏觀接觸-微納界面-分子構型-原子晶格”跨尺度結構進行逐級設計。首先，基于歸一化接觸思想，通過激光織構構建規(guī)則的接觸陣列，將宏觀面接觸歸一化為無數(shù)等同的微米級單元接觸，使每個單元的接觸狀態(tài)（面積、形狀、 受力等）保持一致，這樣界面潤滑材料在同一接觸狀態(tài)下結構變化也趨于一致，整體變得可控（圖1）；其次，在每個接觸單元表面構筑剛性非晶類金剛石碳（DLC）膜層/柔性晶體MoS2配副滑移元界面，剛柔結合有力削弱接觸界面在極端高接觸壓力下的形變；進一步采用MXene作為增強與錨定劑，使晶體MoS2在極端高接觸壓力和大氣環(huán)境下保持完整的層狀結構，減少了缺陷與邊緣的不利影響，賦予其抵抗水分子和氧氣氧化能力，從而維持超潤滑界面的穩(wěn)定。最后，揭示了運動過程中原子晶格匹配的動態(tài)偏轉微觀機制（圖2），即非公度態(tài)向公度態(tài)轉化，發(fā)現(xiàn)了非晶DLC/晶體MoS2永久非公度接觸特性，從根本上消除了晶格匹配所導致的原子互鎖。
基于以上協(xié)同作用（圖3），實現(xiàn)了在毫米級接觸尺寸、12.7 GPa高接觸應力及40% RH大氣環(huán)境下穩(wěn)健的超潤滑性能（平均摩擦系數(shù)0.008，磨損壽命超過1×105次循環(huán)）。取得超潤滑性能的工況條件已經(jīng)達到甚至超過實際零部件運行工況的惡劣程度，突破了之前超潤滑對接觸尺寸、載荷和環(huán)境的耐受范圍，為工程尺度超潤滑設計提供了新思路，有助于推動超潤滑技術在航空航天、先進制造及交通運輸?shù)阮I域的工程應用。
相關研究成果以“Engineering-Grade Macroscale Superlubricity Under Ultrahigh Contact Pressure in Atmospheric Air via Multiscale Synergistic Meta-Interfaces”為題發(fā)表在Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202520241）上，蘭州化物所王婉博士和武漢大學丁子峻博士為論文共同第一作者，蘭州化物所吉利研究員、李畔畔助理研究員和武漢大學歐陽穩(wěn)根教授為共同通訊作者。
該工作得到了中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項、國家自然科學基金、中央高?；A科研基金和甘肅省隴原青年人才等項目資助。
圖1. 歸一化接觸超潤滑設計及構筑
圖2. 晶體/晶體和非晶/晶體摩擦界面晶格匹配動態(tài)演變機制
圖3. 工程尺度超潤滑性能及跨尺度結構協(xié)同作用機理
