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[材料资讯] 张斌、张俊彦等:工程导向固体超滑研究获新进展

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发表于 2023-1-26 09:22:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
摩擦磨损是运动机械普遍存在的现象。据统计,摩擦消耗了1/3的一次能源,磨损导致了60%的机械部件失效。构建低摩擦、高稳定、长寿命润滑技术是摩擦科学一直以来努力的方向。“超滑”是近年来提出的一种能极大突破现有材料润滑性能极限的新概念技术,指摩擦系数(μ)在0.001量级及以下的摩擦状态,摩擦系数和能耗均比传统润滑低1-2个数量级,超滑技术对设备运行可靠性和能耗具有变革性影响。
  近日,中国科学院兰州化学物理研究所先进润滑与防护材料研发中心纳米润滑课题组在工程导向固体超滑新体系方面取得系列进展,提出了“催化超滑”与“热-力场诱导超滑”两种新模式。

二维超滑材料

二维超滑材料
  受催化制备石墨烯、碳纳米管的启发,针对二维超滑材料难以工程应用、超滑类富勒烯含氢碳膜结构依赖性强的问题,研究人员提出了“催化超滑”概念,设计出一种金催化非晶含氢碳薄膜原位生成石墨烯实现工程超滑的新方法。在宏观尺度上实现了超滑状态,摩擦系数为0.003~0.009(载荷3~10N),而不含氢的碳薄膜,即使使用金催化剂,摩擦系数仍较高。实验表明,界面结构转变主要发生在磨合期(图1),摩擦激发金属催化非晶含氢碳薄膜原位形成石墨烯纳米带,Raman光谱证实了石墨烯缺陷接枝了类烯烃结构。模拟结果表明H原子的存在减小了界面电子局域性,降低了界面势能,使非晶碳与石墨烯堆叠结构之间形成易于滑动的超低剪切界面,实现了惰性气氛下的超滑。
  在金属催化非晶碳材料转化方面,除催化剂、摩擦热和摩擦剪切力,氢在超滑体系中起到决定性作用,它不仅降低摩擦表面的能量,同时会降低催化转化的势垒,有望成为未来催化超滑研究的主要方向。
  Au球/a-C:H薄膜异质配副超滑的研究成果以“催化超滑:金催化作用下非晶含氢碳薄膜的工程超滑”为题发表在《中国科学·化学》(2020,50:1–8)上,Au@a-C:H双层薄膜超滑以“Catalytic superlubricity via in-situ formation of graphene during sliding friction on Au@a-C:H Films”为题发表在Carbon (2022,186,180–192)上。
  基于摩擦界面原位形成二维结构超滑的现象,研究人员提出“热-力场”诱导非晶二硫化物(MoS2/WS2)原位生成有序二维MoS2/WS2结构,与非晶碳网络形成异质非公度接触实现宏观超滑的新方法,摩擦系数低为0.003~0.008(载荷3~11N)。发现界面摩擦热定向传导使非晶二硫化钼有序化,并在剪切力作用下在摩擦界面平行排列。多界面非公度接触及H饱和弱剪切摩擦界面同时存在,使MoS2/a-C:H摩擦副实现了开放环境下的超滑(图4)。
  相关研究成果以“Macro superlubricity of 2D disulphide/amorphous carbon heterogeneous via tribochemistry”为题发表在Materials Today Nano(2023,21:100286)上。
  博士生贾倩和特别研究助理杨再秀博士为上述论文的共同第一作者,张斌研究员和张俊彦研究员为通讯作者。高凯雄副研究员和张兴凯副研究员参与了主体研究工作。
  在固体超滑研究方面获中国发明专利授权18件、美国发明专利1件、日本发明专利1件。目前正积极推动固体超滑密封、驱动传动件和滑/滚动轴承的应用工作。
  以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家科技创新2030-重大项目、国家级青年人才项目、中科院青年创新促进会和兰州化物所“一三五”重点培育项目的支持。
       文章来源:兰州化物所
       张斌,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验副研究员,美国劳伦斯伯克利国家实验室/加州大学伯克利分校Visiting Scientist,入选中科院“西部之光”人才计划和中科院“青年创新促进会”。主要从事超滑薄膜制备机理,超滑本质的研究和磁控溅射、电弧离子镀膜装备的研制及应用。获得2016年国家技术发明二等奖、2015年甘肃省技术发明一等奖和2008年真空学会年会 “优秀论文奖”。发表论文54篇,其中SCI期刊40篇,授权专利16件。
        张俊彦,男,1968年生,博士,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研究员,博士生导师,中国科学院“百人计划—引进国外杰出人才”择优支持获得者。1990年兰州大学化学系毕业,1997年、1999年分别在兰州化学物理研究所获得硕士、博士学位,2000年3月至2005年7月在美国加州大学伯克利分校/伯克利劳伦斯国家实验室、阿拉巴马大学、莱斯大学从事博士后研究。2007年7月至10月在美国ARGONNE国家实验室从事合作研究。担任国际能源机构交通先进材料委员会(International Energy Agency, IEA,Advanced Materials for Transportation, AMT)中国代表,中国材料研究学会青年委员会副秘书长,中国微纳器件与系统技术学会理事,《摩擦学学报》编委,美国《The Open Corrosion Journal》编委。应邀担任2006年10月在日本金泽召开的“第3届亚洲摩擦学国际会议”—— “磁记录系统摩擦学”分会主席,担任2008年5月在美国Cleveland召开的STLE年会—“固体润滑”分会副主席,2008年10月在韩国济州岛召开的“第1届国际类金刚石薄膜标准化研讨会”国际顾问委员。在国际学术会议上作邀请报告5次,发表SCI收录论文80余篇,申报国家发明专利16件,获甘肃省科技进步一等奖1项(排名第四)。负责国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项、国际合作交流项目1项,科技部863项目1项,合作承担国防科工委基础研究项目1项,及多项企业合作项目。


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