清華二維納米添加劑在水基超滑中的應用

在人類的日常生活和工業化進程中,不必要的摩擦磨損現象造成了巨大的能源損耗和資料損失。在發達的工業化國家,每年囙此造成的財產損失約占國民生產毛額的5%–7%[1–3]。囙此,以提高能源效率為目標,提升良好的潤滑系統,進而發展現代工業革命已成為迫在眉睫的挑戰。圖1超滑範圍內的摩擦係數。

在人類的日常生活和工業化進程中,不必要的摩擦磨損現象造成了巨大的能源損耗和資料損失。在發達的工業化國家,每年囙此造成的財產損失約占國民生產毛額的5%–7% [1–3]。與已開發國家相比,我國組織GDP的能源消耗值更高(約為已開發國家平均水準的2.1倍),整體的機械裝備平均使用壽命更短,低端高耗能裝備製造仍占主導地位,導致我國面臨嚴峻的資源浪費問題。囙此,以提高能源效率為目標,提升良好的潤滑系統,進而發展現代工業革命已成為迫在眉睫的挑戰。

在1990年,日本學者Hirano和Shinjo提出了一種理想的接近“零摩擦”的狀態—超滑(Superlubricity),即該狀態下的摩擦和磨損可以忽略不計[4]。如圖1所示,現時超滑的定義是指滑動摩擦係數為0.001量級的潤滑狀態。此外,在宏觀上準確量測小於0.001的摩擦系數值仍然是一個重大挑戰。囙此,現時在眾多科學研究中,吸引人們關注的話題莫過於如何將不必要的摩擦力降到最低,甚至是實現超滑。在過去的三十年中,隨著量測科技和方法的發展,超滑的理論基礎和實驗結果都在各種尺度上不斷創新和發現。

圖1超滑範圍內的摩擦係數。

超滑與潤滑添加劑

現時,已經廣泛報導了基於兩種不同潤滑資料可獲得超滑效能的方法,按照資料的種類通常分為固體和液體超滑兩類。在微米或納米尺度獲得的固體超滑特性,被認為是兩個滑動表面在特定條件下具有極低的相互作用[5]。當晶格完整的二維資料處於非公度狀態時,其層間摩擦力在一定條件下會急劇减小。然而,相較於實現固體超滑的苛刻要求,液體超滑在宏觀尺度中更容易被實現。最近幾年廣泛報導了對該課題的研究,例如水基陶瓷潤滑,聚合物分子刷潤滑和多羥基水溶液[6–8]。由於可以在宏觀尺度大氣環境條件下實現液體超滑,囙此在實際工業生產條件下具有更廣泛的應用前景。

此外,工業生產過程中通常使用不同種類的潤滑添加劑以起到减少摩擦、降低磨損的效果,進而能够提高生產效益、延長部件使用壽命、提升能量傳遞效率。近些年來,納米二維資料由於其特殊的理化效能和結構,吸引了研究學者極大的關注,相較於普通納米顆粒而言可以更大概率地進入接觸區,從而在潤滑添加劑領域被廣泛研究與應用。隨著化學合成方法以及表徵手段不斷改進,諸多納米二維資料被成功地運用到了摩擦學研究中。

綜述論文

鑒於以上研究現狀,清華大學摩擦學國家重點實驗的科研工作者將納米二維資料作為添加劑均勻分散到潤滑介質中,研究其摩擦學效能及潤滑機理,並在超滑領域取得了一系列研究成果。近日,相關綜述論文《Superlubricity achieved with two-dimensional nano-additives to liquid lubricants》發表在《Friction》期刊第8卷第6期,並被遴選為封面文章,如圖2所示。該論文第一作者為王鴻棟博士,通訊作者為劉宇宏副教授。

圖2《Friction》期刊2020年第8卷第6期封面。

該綜述著重介紹了納米二維資料添加劑與多種水基潤滑液結合從而實現超滑的最新研究,其中添加劑涵蓋了黑磷(black phosphorus,圖3(a)),氧化石墨烯(graphene oxide,圖3(b))和層狀雙金屬氫氧化物(layered double hydroxide,圖3(c))等資料。在各類超滑系統中,通過宏觀摩擦磨損實驗和微觀原子力顯微鏡等測試分析,闡明了納米二維資料添加劑與固體摩擦副錶介面處的多種相互作用,具體可以歸納為摩擦化學反應、物理阻隔、吸附增强以及耐磨性提升等方面。複合潤滑液的應用有效地提高了該潤滑體系的實際承載能力(最高可達約600 MPa),减少磨損的同時可顯著縮短液體超滑系統的磨合週期(1000 s以內)。該綜述為納米二維資料在液體超滑系統中的實際應用提供了良好的參攷價值。

圖3(a)黑磷、(b)氧化石墨烯和(c)層狀雙金屬氫氧化物在超滑體系中的應用。

現時而言,對超滑資料的深入挖掘、對超滑過程作用機理以及調控機制的深層次探索將推動超滑體系的進一步完善,對解决超滑在工業化應用中的關鍵問題具有重要的理論參攷價值和實踐參攷意義,進而為前沿領域精密機械結構的效能提高、壽命延長帶來强有力的科技支撐和切實可行的解決方案。

原文連結:https://link.springer.com/article/10.1007/s40544-020-0410-3

參考文獻

[1] Perry S S,Tysoe W T. Frontiers of fundamental tribological research.Tribology Letters,2005,19(3):151~161.

[2]溫詩鑄,黃平.摩擦學原理北京:清華大學出版社,1990.

[3] Holmberg K,Erdemir A. Influence of tribology on global energy consumption,costs and emissions.Friction,2017,5(3):263–284.

[4] Hirano M,Shinjo K. Atomistic locking and friction.Physical Review B,1990,41(17):11837~11851.

[5] Berman D,Erdemir A,Sumant A V. Approaches for Achieving Superlubricity in Two-Dimensional Materials.ACS Nano,2018,12(3):2122~2137.

[6] Xu J,Kato K. Formation of tribochemical layer of ceramics sliding in water and its role for low friction.Wear,2000,245(1):61~75.

[7] Klein J,Mahalu D,Fetters L J,et al. Reduction of frictional forces between solid surfaces bearing polymer brushes.Nature,1994,370(6491):634~636.

[8] Li J,Zhang C,Luo J. Superlubricity Achieved with Mixtures of Polyhydroxy Alcohols and Acids.Langmuir,2013,29(17):5239~5245.

本文標題: 清華二維納米添加劑在水基超滑中的應用
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656067599626887
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