宏觀尺度液體超潤滑材料研究取得新進展

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無論是汽車、飛機還是工業生產設備，要正常運轉都離不開摩擦。同時，摩擦也會造成大量的能源消耗，摩擦產生的磨損會導致機械設備故障和失效。因此，如何減少摩擦磨損，提高設備的使用壽命，一直是科研人員的重要研究內容。近年來，隨著超潤滑技術的發展，越來越多的研究人員開始關注這一領域。

近日，中國科學院蘭州化學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計了一種適用于軸承鋼摩擦副的液體超潤滑材料，經過較短的磨合期在44秒內就可實現宏觀尺度的液體超潤滑，為設計機械設備用的鋼材表面超潤滑提供了新的思路。相關論文發表在《先進功能材料》。

如何設計出適用于軸承鋼摩擦副的液體超潤滑材料

“與固體超潤滑相比，液體超潤滑更容易在地面大氣環境下實現，因此在實際工況中具有較好的應用前景。目前許多液體潤滑材料，如離子液體、聚合物分子刷等已被報道具有出色的超潤滑性能。但這些液體超潤滑劑大部分需較長的跑合期，這可能使摩擦副材料在達到超潤滑狀態之前就已經發生了較嚴重的磨損。”蘭州化物所研究員王道愛告訴《中國科學報》。

作為水基潤滑劑的添加劑，黑磷、氧化石墨烯、層狀雙金屬氫氧化物等納米材料已被證實可縮短超潤滑所需的磨合期，顯著降低摩擦副不必要的磨損。但是，上述縮短磨合期的策略大都是針對陶瓷摩擦副，如何加速實現機械用鋼材摩擦副表面的液體超潤滑卻存在很大挑戰。

據了解，研究人員在軸承鋼摩擦副的液體潤滑體系中引入了碳量子點潤滑添加劑，為解決上述難題提供了新方案。研究人員采用簡單的直接熱解法將檸檬酸熱解為碳量子點材料，將碳量子點作為添加劑加入到聚乙二醇水溶液的基礎潤滑劑中。由于熱解得到的碳量子點表面含有豐富的羧基和羥基等官能團，確保了其在水溶液中具有較好的分散性能。然后，通過球盤式摩擦磨損試驗機測試了該復合潤滑液的摩擦學性能。結果表明，該潤滑劑僅需44秒就可在鋼/鋼摩擦副表面之間實現液體超潤滑，摩擦系數約為0.005，表面的磨損率降低了77%。這種潤滑劑的超潤滑性能主要歸功于碳量子點在摩擦過程中的吸附作用和摩擦化學反應生成的鐵氧化合物。

碳量子點如何在潤滑過程中發揮作用

相比純的聚乙二醇水溶液，加入適量的碳量子點納米材料有助于使潤滑劑的摩擦系數進一步降低至超潤滑水平。加入的碳量子點材料在摩擦過程中容易吸附到摩擦副的表面從而形成一層碳膜。

“在固體接觸表面，這層碳膜可作為邊界潤滑劑，有效減少表面粗糙峰之間的直接接觸。另外，摩擦副表面的碳量子點吸附膜還能夠減少潤滑劑分子鏈與摩擦副之間的相互作用力，從而降低了滑動過程中的摩擦阻力。”王道愛研究員說道。

新型液體超潤滑材料的意義

“這種新型的液體超潤滑材料在金屬切削加工、軸承潤滑等行業具有較大的應用前景。”王道愛說道，這項研究的成功不僅為軸承鋼摩擦副的潤滑問題提供了新的解決方案，還為其他類型金屬摩擦副的超潤滑應用提供了參考。

同時，與目前市場上常用的潤滑油相比，這種水基超潤滑材料合成成本較低，且具有良好的冷卻能力，也可適用于電動汽車變速箱的潤滑。未來，隨著電動汽車行業的飛速發展，這種水基超潤滑材料有望得到大規模的應用。

“雖然這項研究取得了顯著的試驗效果，但仍有一些問題需要進一步研究和改進。例如，這種潤滑劑中含有有機酸性成分，長期使用可能會對軸承鋼造成腐蝕。因此，研究人員正在設計其他同時具有防腐性能的水基超潤滑材料。”王道愛表示，下一步，研究人員還將致力于研究可用于電動汽車的水基液體超潤滑材料，以滿足電動汽車行業對潤滑劑的高要求。

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