“超滑”让世界更美好

清华大学摩擦学国家重点实验室 张晨辉

今年是中国极地考察40周年。2月7日,中国第5个南极考察站秦岭站开站,填补了中国在南极罗斯海区域的考察空白。

2023年12月29日,我国自主设计、建造的新一代破冰考察船——“极地”号出坞下水,将在今年下半年开始承担南北两极科考任务。

然而,很多人不知道破冰考察船润滑系统及推进器、齿轮箱、科考吊机等关键配套设备面临超低温、高湿度、复杂气候变化、冰对船体的摩擦和损坏等严苛的运行环境,由此对破冰船的油耗、噪音、航速、操纵灵活性、舒适性等都提出了巨大的挑战。

除极地领域,在深海装备上同样面临润滑挑战。2023年,我国“蛟龙”号、“深海勇士”号和“奋斗者”号载人潜水器合计完成210次下潜,持续把持世界领先,为我国深海科考、装备海试、应急搜寻打捞等提供支撑。

其中,载人潜水器采用螺旋桨推进、通过机械手取芯器实现海底矿产资源的原位取芯,相关装备面对的是深海工况下的巨大水压以及沉积物带来的“海底风暴”,如何破解深海环境下关键装备的摩擦磨损问题对于进一步突破下潜深度、航程和驻留时间等至关重要。

实际上,不仅是大国重器需要解决润滑问题,人们的日常生活同样面临摩擦磨损问题带来的挑战。

受大自然启发有望解决润滑难题

我国中东部地区冬季时常面临低温雨雪冰冻天气,给人们的出行尤其是春运造成巨大困扰。尤其是高铁受电弓(金属碳复合材料)和电力接触网(镁铜合金,电压约27500V)结冰后形成冰层和小冰锥,致使导电性减弱、摩擦阻力增大,轻则引起电弧,动力受限,列车减速,重则受电弓直接断裂,列车直接停运,严重影响旅客出行。

据统计,受冻雨影响,和谐型机车的破损率高达47%、受电弓受损率高达20%以上。目前主要通过机械除冰和人工除冰方式刮除冰层,而如何在雨雪冰冻天气下打造既能增强导电性、又能减少磨损的防冰保护层,以有效实现高铁电弓与接触电网之间的导电润滑效果,仍具有挑战性。

面对上述挑战,自然界为我们带来润滑启发。比如,抓鱼时往往会抓一手粘液,而鱼很容易就从手中溜走了,这是因为粘液可以减少鱼类在水中运动时的摩擦阻力,对鱼类皮肤起润滑作用;健康人体内髋关节、膝关节可保持超低摩擦和超低磨损数十年,但受年龄增长、过度磨损等会引发关节炎症,这是因为人体关节腔中存在关节滑液,可以润滑关节软骨、避免关节过度磨损;猪笼草生长出捕笼,通过捕捉昆虫获取能量,即便是带有翅膀的昆虫也会因为液体沾湿翅膀而难以飞行逃出捕笼,猪笼草捕笼内壁覆盖光滑蜡质以及特殊的表面微结构保证表面润湿和光滑,使得昆虫容易滑落且很难爬出。神奇的大自然处处充满着润滑的智慧。

2022年北京冬奥会为世界又一次呈现了一届无与伦比、精彩非凡的圣会,我国运动员在速度滑冰、短道速滑、钢架雪车、越野滑雪等比赛项目中取得佳绩,这离不开冰雪表面摩擦减阻技术的贡献。

例如,对冰刀刀刃进行表面处理后,能够实现前进方向降低摩擦力的同时增加侧向蹬冰力,使得冰刀刀刃耐磨性提高的同时有助于提高比赛成绩。再比如,越野滑雪由于比赛距离较长,运动员出发时雪板打的减阻蜡会快速磨损导致雪板阻力上升,通过改进石蜡烧结工艺并添加石墨烯,能够提高润滑减阻距离并降低雪板阻力。清华大学摩擦学国家重点实验室的润滑和减阻研究从技术上支撑和助力了冰雪运动的发展。

除大自然和冰雪运动外,摩擦还普遍存在于机械装备中。其中,摩擦引起能量耗散,磨损导致机械零件表面损伤,进而使得机械设备失效。

据统计,摩擦消耗掉全球约1/3的一次能源,磨损导致约80%的机械零部件失效,50%以上的机械装备恶性事故均源于润滑失效或过度磨损,由此导致的工业化国家经济损失高达GDP的5%以上。而润滑则是降低摩擦、减小磨损最有效的措施。润滑设计对于节约能源和原材料、延长机械设备使用寿命和提高工作可靠性具有重要意义。

然而,随着机械装备的更新换代以及科学研究的飞速发展,传统润滑方式已经不能满足时代需要,例如航空航天领域对润滑长寿命提出了更为严苛的要求、精密制造与微型器件领域(微电子器件、微型机器人等)已经无法用传统润滑理论去解决摩擦磨损问题。

在上述背景下,摩擦学家于40年前提出“超滑”概念来描述两个相对运动表面/界面之间摩擦力接近零的状态,由此进入“超滑”技术的时代,有望解决传统润滑理论无法回答的难题:如何构建高承载、低剪切的摩擦界面。

超滑已经成为科学研究的热点

近20年来,超滑已经成为科学研究的热点,是第五次工业革命时代一个横跨机械、物理、化学、力学、材料、生物等诸多学科的交叉研究领域,从微纳米尺度拓展到宏观范围。那么,如何实现超滑?超滑的机理是什么?超滑将在哪些领域带来技术突破或者催生前所未有的新技术?未来的主要挑战有哪些?本科普文章将带给读者一个较清晰且吸引人的答案,并启发大家更深入的思考。

传统油润滑的摩擦系数一般为0.05-0.1左右,而超滑时的摩擦系数要达到甚至低于0.001量级。在液体超滑领域,我们团队取得了全球领先的突破。近10年来,我们分别发现并实现了酸与醇混合溶液的超滑、生物液体的超滑、水合离子超滑、油基超滑等,将摩擦系数降低一个数量级以上。在率先发现磷酸溶液的超滑现象后,我们对酸基溶液超滑机理进行分析,发现超滑的实现与溶液中的氢键作用密切相关,随着水分的挥发导致溶液粘度逐渐升高,由此确认了流体动压效应对酸基溶液超滑的实现具有主导作用。

之后,我们又率先在宏观大载荷条件下实现了基于水合作用的超滑,陆续发现了单价阳离子和多价阳离子的水合超滑现象,提出了增加离子水合强度可以实现润滑性能更优异的超滑。水合作用是指在水溶液中,水分子会紧密围绕带电荷的离子或基团形成水合壳,进而形成水合层;水合层在受限条件下会产生理论上高达1 GPa的短程排斥力,即水合排斥力,从而克服界面间的范德华吸引力,最终实现承载能力高且剪切强度低的水合润滑。

基于此发现,我们通过物理混合和化学作用进一步对聚合物摩擦副材料进行改性,设计并制作了更高负表面电荷密度的聚合物材料(聚醚醚酮、超高分子量聚乙烯等)。与原材料相比,改性后具有更高表面负电荷密度的材料可以实现更低的摩擦系数以及更低的磨损率,这就为基于水合作用实现的超滑走向未来应用奠定了基础。

与水基润滑剂相比,润滑油具有更高的粘度和粘压系数,更难以实现超滑。近年来,我们在油基超滑研究上也取得了重要突破,实现了基于二酮类润滑油的超滑。但要做到大规模应用,还存在两个缺陷需要克服:一是承载能力还需要继续提升;二是磨损要进一步降低。总之,液体超滑研究最终要解决的就是润滑剂分子高承载能力与低剪切强度之间的矛盾。

固体超滑近年来迎来研究高潮

除液体超滑外,固体超滑近年来迎来研究高潮,一方面是二维材料和碳膜材料的兴起引起了新一波的基于石墨烯、二硫化钼、碳纳米管等二维材料与类金刚石薄膜(DLC)润滑科学与技术的研究热潮;另一方面是太空技术和深空探索的大力发展使得空间中摩擦磨损问题越发显著,航空器渴望新的减摩降磨技术,但由于空间环境限制无法使用液体润滑,因此固体超滑将带来新的技术变革助推太空探索。初期固体超滑研究集中在微观尺度非公度接触方面,通常采用小载荷(nN-mN量级)、小接触面积,完美、平滑的晶面材料已经能够在纳米和微米尺度、理想的单晶接触状态下获得超滑,也被称为结构超滑。

结构超滑必须满足以下条件:刚性层状滑移结构、弱的层间相互作用、非公度晶格接触。然而,尽管理想层状晶体材料(高定向热解石墨、石墨烯、二硫化钼等)的结构超滑已经能在微观尺度上实现,但在宏观接触尺度上,超滑的获得依然面临很多挑战和难题。

相较于二维材料,碳膜是最有希望实现工程超滑及应用的材料之一。通过元素掺杂改变界面状态、或者在特殊气氛下使摩擦界面满足低剪切力,都有可能实现超滑。含氢DLC在氮气和氢气气氛下、氮掺杂DLC在氮气气氛下、硅掺杂DLC在高真空条件下、氟掺杂DLC在超高真空条件下、硫掺杂DLC在潮湿空气条件下均能实现摩擦系数0.01以下的超滑。目前,将固体润滑与液体润滑叠加的固液界面耦合超滑技术也成为近年来的研究热点。

总之,超滑的研究已经成为服务国计民生、推动学科发展的热点和前沿领域,我们的研究工作就是要研究并设计具有更高承载能力且更低剪切强度的润滑剂和摩擦副材料,最终降低表界面摩擦、减小材料磨损。2021年,《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》为双碳战略进行了系统谋划和总体部署,明确指出了我国碳达峰、碳中和的目标。研究超滑现象与机理、发展超滑技术是实现双碳目标的重要途径之一,最终助力实现机械系统低能耗、高可靠和长寿命稳定运行的目标。

同时,当下正处于新科技革命和产业革命的交汇点,我国深海、深地、深空探索是目前创新度最活跃的三大领域。无论对于空间机械运动机构、还是深海深地探索重大装备,对机械系统可靠性和长寿命具有最为严苛的要求,例如,我国空间站需要保证数十次可靠对接、连续运行15年,深空探测器服役20年以上,对运动机构的润滑性能提出了更高的要求。因此,保证机械系统低摩擦、低磨损、高可靠、长寿命服役,助力我国双碳战略和新科技进步,是我们超滑研究者的科技中国梦,是我们持之以恒追求的目标。

张晨辉,清华大学长聘教授、博士研究生导师,高端装备界面科学与技术全国重点实验室副主任,主要从事液体超滑、超滑涂层、水基润滑、工艺润滑油液等方面的研究。作为负责人先后承担了国防科工局基础科研计划、科技委基础研发计划、自然科学基金、973课题、国防973课题、重点研发计划课题等科研项目。相关研究工作发表SCI论文110余篇,授权发明专利40余项,获得国家自然科学二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、腾讯基金会科学探索奖1项。