作者:郑治文等 来源:《摩擦》 发布时间:2022/6/10 20:18:46
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宏观液体超滑体系研究取得新进展

 

超滑(Superlubricity)技术具有超低摩擦系数和近零磨损率等优异特性,能够最大化减少摩擦过程中的能量损耗和材料磨损,成为近年来摩擦学领域的研究热点之一。目前,液体超滑研究主要集中在较低的应用载荷和转速范围,运动形式和摩擦副的选择有限。为了推动液体超滑技术的工程化应用,需要开发新型液体超滑体系,提高其承载能力和运转速度域,拓展接触界面间的运动形式,实现宏观大尺度和苛刻条件下的液体超滑。
 
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究发展中心冯大鹏研究员团队从液体超滑的本质因素出发,利用质子型离子液体在多元醇水溶液体系中的水合离子化作用以及羟基化氮化硼纳米片(HO-BNNs)表面抛光、自修复作用,首次实现了高应用载荷(> 196 N)、高转速(> 0.557 m/s)、点对点接触形式下钢/钢界面间的宏观液体超滑,摩擦系数低至0.004(图1)。该超滑体系具有优异的耐腐蚀性,可拓展至其他多元醇水溶液体系。
 
研究人员通过阶段性实验揭示了超滑行为实现过程中润滑状态的演变趋势,即从边界润滑到混合润滑状态的转变。通过对摩擦试验后摩擦膜、磨屑表面形貌和特征元素的组成进行分析,在理论计算超滑体系中金属基底、阴阳离子、水、乙二醇和HO-BNNs等不同分子间相互作用的基础上,揭示了其宏观超滑机理,即基于离子液体的强吸附作用,在金属摩擦副基底形成了稳定的吸附层,跑和期分散了摩擦副之间的接触应力,从而实现了超滑。
 
 
图1. 质子型离子液体复合羟基化氮化硼纳米片的宏观液体超滑行为
 
该研究成果以“Macroscale superlubricity achieved via hydroxylated hexagonal boron nitride nanosheets with ionic liquid at steel/steel interface”为题发表在Friction上,并入选封面文章(图2, Friction, 2022, 10(9): 1365–1381)(DOI: https://doi.org/10.1007/s40544-021-0545-x),获中国发明专利授权(ZL 202110317065.9)1项。
 
 
图2. 入选Friction封面文章
 
随后,研究人员从实际应用的角度出发进行体系简化,在单独添加离子液体的条件下诱导多元醇水溶液实现了更高载荷和转速(300 N,0.653 m/s)的超滑行为,摩擦系数约为0.006。同时,系统研究了体系中ILs结构、添加剂浓度、工况条件、多元醇种类、水醇比和润滑状态变化对超滑行为的影响规律,分析了不同ILs在金属基底表面的吸附特性,提出了超滑过程中摩擦副之间形成的多层润滑膜结构,包括吸附Stern层、氢键网络结构层和剪切层。超滑行为的实现源于质子型离子液体的水合离子化作用、适宜的氢键网络结构、跑合期和摩擦化学反应膜之间的协同作用。
 
 
图3. 质子型离子液体诱导多元醇水溶液的超滑行为及机理示意图
 
该研究成果以“Insight into Macroscale Superlubricity of Polyol Aqueous Solution Induced by protic Ionic Liquid”为题发表在Friction上(DOI: https://doi.org/10.1007/s40544-021-0563-8),获中国发明专利授权(ZL 202110664900.6)1项。
 
该研究工作开发的水基宏观超滑体系具有绿色环保、性能优异、降低能耗的优势,有望将其作为金属切削润滑液应用于金属加工制造领域,并为超滑体系的开发和工业化应用提供新的思路。
 
郑治文博士为论文第一作者,冯大鹏研究员和乔旦副研究员为通讯作者。
 
以上研究工作得到了科院青促会的支持。(来源:中国科学院兰州化学物理研究所)
 
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