“超滑”讓世界更美好

清華大學摩擦學國家重點實驗室 張晨輝

今年是中國極地考察40周年。2月7日,中國第5個南極考察站秦嶺站開站,填補了中國在南極羅斯海區(qū)域的考察空白。

2023年12月29日,我國自主設(shè)計、建造的新一代破冰考察船——“極地”號出塢下水,將在今年下半年開始承擔南北兩極科考任務(wù)。

然而,很多人不知道破冰考察船潤滑系統(tǒng)及推進器、齒輪箱、科考吊機等關(guān)鍵配套設(shè)備面臨超低溫、高濕度、復(fù)雜氣候變化、冰對船體的摩擦和損壞等嚴苛的運行環(huán)境,由此對破冰船的油耗、噪音、航速、操縱靈活性、舒適性等都提出了巨大的挑戰(zhàn)。

除極地領(lǐng)域,在深海裝備上同樣面臨潤滑挑戰(zhàn)。2023年,我國“蛟龍”號、“深海勇士”號和“奮斗者”號載人潛水器合計完成210次下潛,持續(xù)把持世界領(lǐng)先,為我國深海科考、裝備海試、應(yīng)急搜尋打撈等提供支撐。

其中,載人潛水器采用螺旋槳推進、通過機械手取芯器實現(xiàn)海底礦產(chǎn)資源的原位取芯,相關(guān)裝備面對的是深海工況下的巨大水壓以及沉積物帶來的“海底風暴”,如何破解深海環(huán)境下關(guān)鍵裝備的摩擦磨損問題對于進一步突破下潛深度、航程和駐留時間等至關(guān)重要。

實際上,不僅是大國重器需要解決潤滑問題,人們的日常生活同樣面臨摩擦磨損問題帶來的挑戰(zhàn)。

受大自然啟發(fā)有望解決潤滑難題

我國中東部地區(qū)冬季時常面臨低溫雨雪冰凍天氣,給人們的出行尤其是春運造成巨大困擾。尤其是高鐵受電弓(金屬碳復(fù)合材料)和電力接觸網(wǎng)(鎂銅合金,電壓約27500V)結(jié)冰后形成冰層和小冰錐,致使導(dǎo)電性減弱、摩擦阻力增大,輕則引起電弧,動力受限,列車減速,重則受電弓直接斷裂,列車直接停運,嚴重影響旅客出行。

據(jù)統(tǒng)計,受凍雨影響,和諧型機車的破損率高達47%、受電弓受損率高達20%以上。目前主要通過機械除冰和人工除冰方式刮除冰層,而如何在雨雪冰凍天氣下打造既能增強導(dǎo)電性、又能減少磨損的防冰保護層,以有效實現(xiàn)高鐵電弓與接觸電網(wǎng)之間的導(dǎo)電潤滑效果,仍具有挑戰(zhàn)性。

面對上述挑戰(zhàn),自然界為我們帶來潤滑啟發(fā)。比如,抓魚時往往會抓一手粘液,而魚很容易就從手中溜走了,這是因為粘液可以減少魚類在水中運動時的摩擦阻力,對魚類皮膚起潤滑作用;健康人體內(nèi)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)可保持超低摩擦和超低磨損數(shù)十年,但受年齡增長、過度磨損等會引發(fā)關(guān)節(jié)炎癥,這是因為人體關(guān)節(jié)腔中存在關(guān)節(jié)滑液,可以潤滑關(guān)節(jié)軟骨、避免關(guān)節(jié)過度磨損;豬籠草生長出捕籠,通過捕捉昆蟲獲取能量,即便是帶有翅膀的昆蟲也會因為液體沾濕翅膀而難以飛行逃出捕籠,豬籠草捕籠內(nèi)壁覆蓋光滑蠟質(zhì)以及特殊的表面微結(jié)構(gòu)保證表面潤濕和光滑,使得昆蟲容易滑落且很難爬出。神奇的大自然處處充滿著潤滑的智慧。

2022年北京冬奧會為世界又一次呈現(xiàn)了一屆無與倫比、精彩非凡的圣會,我國運動員在速度滑冰、短道速滑、鋼架雪車、越野滑雪等比賽項目中取得佳績,這離不開冰雪表面摩擦減阻技術(shù)的貢獻。

例如,對冰刀刀刃進行表面處理后,能夠?qū)崿F(xiàn)前進方向降低摩擦力的同時增加側(cè)向蹬冰力,使得冰刀刀刃耐磨性提高的同時有助于提高比賽成績。再比如,越野滑雪由于比賽距離較長,運動員出發(fā)時雪板打的減阻蠟會快速磨損導(dǎo)致雪板阻力上升,通過改進石蠟燒結(jié)工藝并添加石墨烯,能夠提高潤滑減阻距離并降低雪板阻力。清華大學摩擦學國家重點實驗室的潤滑和減阻研究從技術(shù)上支撐和助力了冰雪運動的發(fā)展。

除大自然和冰雪運動外,摩擦還普遍存在于機械裝備中。其中,摩擦引起能量耗散,磨損導(dǎo)致機械零件表面損傷,進而使得機械設(shè)備失效。

據(jù)統(tǒng)計,摩擦消耗掉全球約1/3的一次能源,磨損導(dǎo)致約80%的機械零部件失效,50%以上的機械裝備惡性事故均源于潤滑失效或過度磨損,由此導(dǎo)致的工業(yè)化國家經(jīng)濟損失高達GDP的5%以上。而潤滑則是降低摩擦、減小磨損最有效的措施。潤滑設(shè)計對于節(jié)約能源和原材料、延長機械設(shè)備使用壽命和提高工作可靠性具有重要意義。

然而,隨著機械裝備的更新?lián)Q代以及科學研究的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)潤滑方式已經(jīng)不能滿足時代需要,例如航空航天領(lǐng)域?qū)櫥L壽命提出了更為嚴苛的要求、精密制造與微型器件領(lǐng)域(微電子器件、微型機器人等)已經(jīng)無法用傳統(tǒng)潤滑理論去解決摩擦磨損問題。

在上述背景下,摩擦學家于40年前提出“超滑”概念來描述兩個相對運動表面/界面之間摩擦力接近零的狀態(tài),由此進入“超滑”技術(shù)的時代,有望解決傳統(tǒng)潤滑理論無法回答的難題:如何構(gòu)建高承載、低剪切的摩擦界面。

超滑已經(jīng)成為科學研究的熱點

近20年來,超滑已經(jīng)成為科學研究的熱點,是第五次工業(yè)革命時代一個橫跨機械、物理、化學、力學、材料、生物等諸多學科的交叉研究領(lǐng)域,從微納米尺度拓展到宏觀范圍。那么,如何實現(xiàn)超滑?超滑的機理是什么?超滑將在哪些領(lǐng)域帶來技術(shù)突破或者催生前所未有的新技術(shù)?未來的主要挑戰(zhàn)有哪些?本科普文章將帶給讀者一個較清晰且吸引人的答案,并啟發(fā)大家更深入的思考。

傳統(tǒng)油潤滑的摩擦系數(shù)一般為0.05-0.1左右,而超滑時的摩擦系數(shù)要達到甚至低于0.001量級。在液體超滑領(lǐng)域,我們團隊取得了全球領(lǐng)先的突破。近10年來,我們分別發(fā)現(xiàn)并實現(xiàn)了酸與醇混合溶液的超滑、生物液體的超滑、水合離子超滑、油基超滑等,將摩擦系數(shù)降低一個數(shù)量級以上。在率先發(fā)現(xiàn)磷酸溶液的超滑現(xiàn)象后,我們對酸基溶液超滑機理進行分析,發(fā)現(xiàn)超滑的實現(xiàn)與溶液中的氫鍵作用密切相關(guān),隨著水分的揮發(fā)導(dǎo)致溶液粘度逐漸升高,由此確認了流體動壓效應(yīng)對酸基溶液超滑的實現(xiàn)具有主導(dǎo)作用。

之后,我們又率先在宏觀大載荷條件下實現(xiàn)了基于水合作用的超滑,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了單價陽離子和多價陽離子的水合超滑現(xiàn)象,提出了增加離子水合強度可以實現(xiàn)潤滑性能更優(yōu)異的超滑。水合作用是指在水溶液中,水分子會緊密圍繞帶電荷的離子或基團形成水合殼,進而形成水合層;水合層在受限條件下會產(chǎn)生理論上高達1 GPa的短程排斥力,即水合排斥力,從而克服界面間的范德華吸引力,最終實現(xiàn)承載能力高且剪切強度低的水合潤滑。

基于此發(fā)現(xiàn),我們通過物理混合和化學作用進一步對聚合物摩擦副材料進行改性,設(shè)計并制作了更高負表面電荷密度的聚合物材料(聚醚醚酮、超高分子量聚乙烯等)。與原材料相比,改性后具有更高表面負電荷密度的材料可以實現(xiàn)更低的摩擦系數(shù)以及更低的磨損率,這就為基于水合作用實現(xiàn)的超滑走向未來應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

與水基潤滑劑相比,潤滑油具有更高的粘度和粘壓系數(shù),更難以實現(xiàn)超滑。近年來,我們在油基超滑研究上也取得了重要突破,實現(xiàn)了基于二酮類潤滑油的超滑。但要做到大規(guī)模應(yīng)用,還存在兩個缺陷需要克服:一是承載能力還需要繼續(xù)提升;二是磨損要進一步降低?？傊?液體超滑研究最終要解決的就是潤滑劑分子高承載能力與低剪切強度之間的矛盾。

固體超滑近年來迎來研究高潮

除液體超滑外,固體超滑近年來迎來研究高潮,一方面是二維材料和碳膜材料的興起引起了新一波的基于石墨烯、二硫化鉬、碳納米管等二維材料與類金剛石薄膜(DLC)潤滑科學與技術(shù)的研究熱潮;另一方面是太空技術(shù)和深空探索的大力發(fā)展使得空間中摩擦磨損問題越發(fā)顯著,航空器渴望新的減摩降磨技術(shù),但由于空間環(huán)境限制無法使用液體潤滑,因此固體超滑將帶來新的技術(shù)變革助推太空探索。初期固體超滑研究集中在微觀尺度非公度接觸方面,通常采用小載荷(nN-mN量級)、小接觸面積,完美、平滑的晶面材料已經(jīng)能夠在納米和微米尺度、理想的單晶接觸狀態(tài)下獲得超滑,也被稱為結(jié)構(gòu)超滑。

結(jié)構(gòu)超滑必須滿足以下條件:剛性層狀滑移結(jié)構(gòu)、弱的層間相互作用、非公度晶格接觸。然而,盡管理想層狀晶體材料(高定向熱解石墨、石墨烯、二硫化鉬等)的結(jié)構(gòu)超滑已經(jīng)能在微觀尺度上實現(xiàn),但在宏觀接觸尺度上,超滑的獲得依然面臨很多挑戰(zhàn)和難題。

相較于二維材料,碳膜是最有希望實現(xiàn)工程超滑及應(yīng)用的材料之一。通過元素摻雜改變界面狀態(tài)、或者在特殊氣氛下使摩擦界面滿足低剪切力,都有可能實現(xiàn)超滑。含氫DLC在氮氣和氫氣氣氛下、氮摻雜DLC在氮氣氣氛下、硅摻雜DLC在高真空條件下、氟摻雜DLC在超高真空條件下、硫摻雜DLC在潮濕空氣條件下均能實現(xiàn)摩擦系數(shù)0.01以下的超滑。目前,將固體潤滑與液體潤滑疊加的固液界面耦合超滑技術(shù)也成為近年來的研究熱點。

總之,超滑的研究已經(jīng)成為服務(wù)國計民生、推動學科發(fā)展的熱點和前沿領(lǐng)域,我們的研究工作就是要研究并設(shè)計具有更高承載能力且更低剪切強度的潤滑劑和摩擦副材料,最終降低表界面摩擦、減小材料磨損。2021年,《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》為雙碳戰(zhàn)略進行了系統(tǒng)謀劃和總體部署,明確指出了我國碳達峰、碳中和的目標。研究超滑現(xiàn)象與機理、發(fā)展超滑技術(shù)是實現(xiàn)雙碳目標的重要途徑之一,最終助力實現(xiàn)機械系統(tǒng)低能耗、高可靠和長壽命穩(wěn)定運行的目標。

同時,當下正處于新科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的交匯點,我國深海、深地、深空探索是目前創(chuàng)新度最活躍的三大領(lǐng)域。無論對于空間機械運動機構(gòu)、還是深海深地探索重大裝備,對機械系統(tǒng)可靠性和長壽命具有最為嚴苛的要求,例如,我國空間站需要保證數(shù)十次可靠對接、連續(xù)運行15年,深空探測器服役20年以上,對運動機構(gòu)的潤滑性能提出了更高的要求。因此,保證機械系統(tǒng)低摩擦、低磨損、高可靠、長壽命服役,助力我國雙碳戰(zhàn)略和新科技進步,是我們超滑研究者的科技中國夢,是我們持之以恒追求的目標。

張晨輝,清華大學長聘教授、博士研究生導(dǎo)師,高端裝備界面科學與技術(shù)全國重點實驗室副主任,主要從事液體超滑、超滑涂層、水基潤滑、工藝潤滑油液等方面的研究。作為負責人先后承擔了國防科工局基礎(chǔ)科研計劃、科技委基礎(chǔ)研發(fā)計劃、自然科學基金、973課題、國防973課題、重點研發(fā)計劃課題等科研項目。相關(guān)研究工作發(fā)表SCI論文110余篇,授權(quán)發(fā)明專利40余項,獲得國家自然科學二等獎1項、國家科技進步二等獎1項、騰訊基金會科學探索獎1項。