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清華大學(xué)機(jī)械系、我院常務(wù)副院長何永勇課題組在液體潤滑領(lǐng)域界面摩擦機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展
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清華大學(xué)機(jī)械系摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何永勇課題組在《細(xì)胞》（Cell）旗下物質(zhì)學(xué)子刊《細(xì)胞報(bào)道物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）上發(fā)表論文“邊界潤滑膜與動(dòng)壓潤滑膜的耦合效應(yīng)”（Coupling effect of boundary tribofilm and hydrodynamic film），從邊界潤滑膜和動(dòng)壓潤滑膜的耦合作用行為角度，首次系統(tǒng)地解釋了液體潤滑界面摩擦和磨損性能的逆相關(guān)現(xiàn)象，澄清了邊界潤滑膜與動(dòng)壓潤滑膜的內(nèi)在耦合機(jī)理，提出了二者的耦合模型。這項(xiàng)研究對于摩擦理論研究，尤其是正確理解摩擦和磨損的本質(zhì)關(guān)系以及界面潤滑系統(tǒng)的可控設(shè)計(jì)具有重要的學(xué)術(shù)和技術(shù)價(jià)值。
研究發(fā)現(xiàn)，相同實(shí)驗(yàn)條件下，脂相潤滑狀態(tài)的石墨烯和六方氮化硼的摩擦系數(shù)顯著低于二硫化鉬和二硫化鎢（抗摩擦性能更優(yōu)越），但石墨烯和六方氮化硼對應(yīng)的磨痕深度卻顯著大于二硫化鉬和二硫化鎢（抗磨損性能更差）。這種非常有趣的摩擦和磨損的逆相關(guān)特性，引發(fā)了研究人員關(guān)于兩個(gè)基本問題的思考。一是從磨損的角度思考，為什么二硫化鉬和二硫化鎢對應(yīng)的摩擦系數(shù)更大，但磨損卻更小？二是從摩擦的角度思考，磨損是摩擦的重要起源，石墨烯和六方氮化硼的磨損情況更嚴(yán)重，為什么其摩擦系數(shù)卻更?。?/span>
圖1 石墨烯、六方氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢四種二維材料的摩擦學(xué)性能。石墨烯和六方氮化硼的摩擦系數(shù)顯著低于二硫化鉬和二硫化鎢，但磨痕深度卻顯著大于二硫化鉬和二硫化鎢
液體潤滑界面的摩擦域主要有邊界潤滑膜和動(dòng)壓潤滑膜組成，兩種膜的耦合作用主導(dǎo)了界面的抗摩擦和抗磨損性能。研究發(fā)現(xiàn)，二硫化鉬和二硫化鎢的邊界潤滑膜厚度大約為200~250納米；而石墨烯和六方氮化硼的邊界潤滑膜厚度大約為30~60納米。盡管二硫化鉬和二硫化鎢的摩擦系數(shù)較高，但超高魯棒性的邊界潤滑膜保證了其具有優(yōu)越的抗磨損性能。在機(jī)械應(yīng)力和摩擦熱的誘導(dǎo)下，二硫化鉬和二硫化鎢納米片層在潤滑界面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)。硫原子與摩擦界面鐵原子之間形成共價(jià)鍵，產(chǎn)生鐵的硫化物和鐵的硫酸鹽，極大增強(qiáng)二硫化鉬和二硫化鎢納米片層在界面的粘附特性，由此增強(qiáng)摩擦界面邊界潤滑膜的魯棒性。
圖2 AIS和XPS聯(lián)合定量測量邊界潤滑膜厚度
研究人員進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真手段探究界面摩擦域的動(dòng)壓潤滑膜行為。在液體潤滑狀態(tài)下，界面的摩擦力主要來源于兩方面，一是界面粗糙峰的接觸（磨損），二是來源于潤滑介質(zhì)的內(nèi)部剪切力（黏滯阻力）。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯和六方氮化硼的動(dòng)壓膜厚度顯著小于二硫化鉬和二硫化鎢。動(dòng)壓潤滑膜流速隨著膜厚降低而增大，于是石墨烯和六方氮化硼顯著增強(qiáng)潤滑脂的剪切稀化現(xiàn)象，其對應(yīng)的動(dòng)壓潤滑膜具有更低的粘度，有粘滯阻力產(chǎn)生的摩擦力更小。
圖3 二維材料對動(dòng)壓潤滑膜厚度、流速和粘度的影響
論文第一作者為機(jī)械工程系2021級博士生金寶，通訊作者為清華大學(xué)機(jī)械系摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何永勇研究員和北京化工大學(xué)趙軍副教授。論文工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51905027）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（973項(xiàng)目）（2014CB046404）和摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)科學(xué)基金（SKLTKF18A02）支持。
論文信息
Bao Jin, Guangyan Chen, Jun Zhao, Yongyong He, Yulong Li, Jianbin Luo, Coupling effect of boundary tribofilm and hydrodynamic film, Cell Reports Physical Science, 2022, 100778.
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100778
期刊簡介
《細(xì)胞報(bào)道物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）是Cell Press出版集團(tuán)推出的物質(zhì)學(xué)領(lǐng)域高影響力綜合子刊，旨在發(fā)表物理、化學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)以及交叉學(xué)科領(lǐng)域中的重大前沿研究進(jìn)展。
撰稿：金 寶
編輯：楊 帆
審核：胡楚雄
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