科研進(jìn)展
蘭州化物所液體超潤(rùn)滑材料研究獲新進(jìn)展
構(gòu)建宏觀超潤(rùn)滑界面（摩擦系數(shù)在 0.001級(jí)別甚至更低）可顯著降低能源消耗、減少由摩擦引起的經(jīng)濟(jì)損失。然而，較長(zhǎng)的磨合期可能導(dǎo)致摩擦副表面出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損。目前，縮短磨合期的策略大多是針對(duì) Si3N4、 SiO2、 Al2O3等陶瓷摩擦副，如何在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)軸承鋼摩擦副表面的超潤(rùn)滑仍是迫切需要解決的技術(shù)難題。
中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王道愛(ài)研究員團(tuán)隊(duì)，前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一系列基于天然有機(jī)酸（單寧酸、植酸）的液體超潤(rùn)滑材料。研究人員利用天然有機(jī)酸、多元醇和水分子之間的協(xié)同效應(yīng)，將氮化硅/玻璃等摩擦副界面達(dá)到超潤(rùn)滑所需的磨合期縮短至 1s內(nèi)。相關(guān)研究成果發(fā)表在 Friction（ 2023, 11, 748-762）、 Tribology International（ 2023, 183, 108387）和 ACS Applied Materials & Interfaces（ 2023, 15, 10302-10314）等上，獲中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)兩項(xiàng)（ ZL 202111457707.1， ZL 202210561423.5）。然而具有短磨合期的鋼/鋼摩擦副超潤(rùn)滑材料設(shè)計(jì)仍存在挑戰(zhàn)。
近日，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種適用于軸承鋼摩擦副的液體超潤(rùn)滑材料。研究人員通過(guò)將檸檬酸熱解制得的碳量子點(diǎn)（ CQDs）添加到聚乙二醇水溶液中，實(shí)現(xiàn)了鋼/鋼摩擦副界面的超潤(rùn)滑（摩擦系數(shù)為 0.005），其磨合期僅有 44s，同時(shí)軸承鋼表面的磨損率降低了 77%（圖 1）。在摩擦過(guò)程中軸承鋼表面形成的潤(rùn)滑膜包括吸附在摩擦副表面的 CQDs和摩擦化學(xué)反應(yīng)生成的鐵氧化合物，在摩擦過(guò)程中作為邊界潤(rùn)滑劑有效減少了表面粗糙峰之間的直接接觸（圖 2）。此外，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)摩擦副表面的 CQDs吸附膜在流體動(dòng)力潤(rùn)滑區(qū)域還能減少潤(rùn)滑劑分子鏈與摩擦副之間的相互作用力，從而降低了滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦阻力（圖 3）。該研究為在較短磨合期內(nèi)實(shí)現(xiàn)軸承鋼摩擦副表面的超潤(rùn)滑提供了新的設(shè)計(jì)思路。
圖 1.碳量子點(diǎn)的形貌以及復(fù)合潤(rùn)滑材料的液體超潤(rùn)滑性能
圖 2.磨損區(qū)域表面潤(rùn)滑膜的表征
圖 3.分子動(dòng)力學(xué)模擬
該研究工作近期以“ Accelerating Macroscale Superlubricity through Carbon Quantum Dots on Engineering Steel Surfaces”為題發(fā)表在 Advanced Functional Materials（ https://doi.org/10.1002/adfm.202310880）上，蘭州化物所杜長(zhǎng)合博士生、楊濤博士生和于童童助理研究員為論文共同第一作者，王道愛(ài)研究員為通訊作者。
該液體超潤(rùn)滑材料體系有望在金屬切削加工、軸承潤(rùn)滑等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)（ CN 202310354323.X）。目前，團(tuán)隊(duì)正積極推進(jìn)該技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。
以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)研究計(jì)劃和甘肅省重大科技專(zhuān)項(xiàng)等的支持。
