宏观尺度液体超润滑材料研究取得新进展

无论是汽车、飞机还是工业生产设备，要正常运转都离不开摩擦。同时，摩擦也会造成大量的能源消耗，摩擦产生的磨损会导致机械设备故障和失效。因此，如何减少摩擦磨损，提高设备的使用寿命，一直是科研人员的重要研究内容。近年来，随着超润滑技术的发展，越来越多的研究人员开始关注这一领域。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室王道爱研究员团队设计了一种适用于轴承钢摩擦副的液体超润滑材料，经过较短的磨合期在44秒内就可实现宏观尺度的液体超润滑，为设计机械设备用的钢材表面超润滑提供了新的思路。相关论文发表在《先进功能材料》。

如何设计出适用于轴承钢摩擦副的液体超润滑材料

“与固体超润滑相比，液体超润滑更容易在地面大气环境下实现，因此在实际工况中具有较好的应用前景。目前许多液体润滑材料，如离子液体、聚合物分子刷等已被报道具有出色的超润滑性能。但这些液体超润滑剂大部分需较长的跑合期，这可能使摩擦副材料在达到超润滑状态之前就已经发生了较严重的磨损。”兰州化物所研究员王道爱告诉《中国科学报》。

作为水基润滑剂的添加剂，黑磷、氧化石墨烯、层状双金属氢氧化物等纳米材料已被证实可缩短超润滑所需的磨合期，显著降低摩擦副不必要的磨损。但是，上述缩短磨合期的策略大都是针对陶瓷摩擦副，如何加速实现机械用钢材摩擦副表面的液体超润滑却存在很大挑战。

据了解，研究人员在轴承钢摩擦副的液体润滑体系中引入了碳量子点润滑添加剂，为解决上述难题提供了新方案。研究人员采用简单的直接热解法将柠檬酸热解为碳量子点材料，将碳量子点作为添加剂加入到聚乙二醇水溶液的基础润滑剂中。由于热解得到的碳量子点表面含有丰富的羧基和羟基等官能团，确保了其在水溶液中具有较好的分散性能。然后，通过球盘式摩擦磨损试验机测试了该复合润滑液的摩擦学性能。结果表明，该润滑剂仅需44秒就可在钢/钢摩擦副表面之间实现液体超润滑，摩擦系数约为0.005，表面的磨损率降低了77%。这种润滑剂的超润滑性能主要归功于碳量子点在摩擦过程中的吸附作用和摩擦化学反应生成的铁氧化合物。

碳量子点如何在润滑过程中发挥作用

相比纯的聚乙二醇水溶液，加入适量的碳量子点纳米材料有助于使润滑剂的摩擦系数进一步降低至超润滑水平。加入的碳量子点材料在摩擦过程中容易吸附到摩擦副的表面从而形成一层碳膜。

“在固体接触表面，这层碳膜可作为边界润滑剂，有效减少表面粗糙峰之间的直接接触。另外，摩擦副表面的碳量子点吸附膜还能够减少润滑剂分子链与摩擦副之间的相互作用力，从而降低了滑动过程中的摩擦阻力。”王道爱研究员说道。

新型液体超润滑材料的意义

“这种新型的液体超润滑材料在金属切削加工、轴承润滑等行业具有较大的应用前景。”王道爱说道，这项研究的成功不仅为轴承钢摩擦副的润滑问题提供了新的解决方案，还为其他类型金属摩擦副的超润滑应用提供了参考。

同时，与目前市场上常用的润滑油相比，这种水基超润滑材料合成成本较低，且具有良好的冷却能力，也可适用于电动汽车变速箱的润滑。未来，随着电动汽车行业的飞速发展，这种水基超润滑材料有望得到大规模的应用。

“虽然这项研究取得了显著的试验效果，但仍有一些问题需要进一步研究和改进。例如，这种润滑剂中含有有机酸性成分，长期使用可能会对轴承钢造成腐蚀。因此，研究人员正在设计其他同时具有防腐性能的水基超润滑材料。”王道爱表示，下一步，研究人员还将致力于研究可用于电动汽车的水基液体超润滑材料，以满足电动汽车行业对润滑剂的高要求。

相关论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202310880

碳量子点的形貌以及复合润滑材料的液体超润滑性能。兰州化物所供图。