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兰州化物所多相复合界面超低摩擦研究取得进展

2022-09-30 兰州化学物理研究所
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  地球上每年近三分之一的一次能源消耗被用来克服各种系统和设备的摩擦,这不仅造成了大量的能量损失,而且限制了能源效率的优化。具有极低能耗的超低摩擦已成为工业应用中节能、环保和机器长寿命运行的关键。因此,设计减摩抗磨方法对于节约能源、提高机械装置使用寿命、减少环境污染具有重要意义。近年来,基于减缓磨损现象、控制摩擦行为等进展,摩擦系数(COF)小于0.01的绿色超低摩擦现象被认为是解决上述问题的可行策略。

  近日,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材料表面与界面研究团队,受水黾在水面运动具备高速、低摩擦、低阻力特性的启发,构建了一种具有有限润湿区域的特殊浸润界面,并利用纳米摩擦仪搭建了一种固-液-气-固多相复合摩擦系统,系统研究了基本摩擦学性能与润滑介质、特殊润湿性和摩擦学参数之间的关系(图1)。

  该工作以超疏水材料作为摩擦副、亲水材料作为对偶,通过亲水材料对水的黏附锚固出一个稳定的水膜(图1)。在超疏水表面,运动过程中固液界面摩擦力主要受接触角滞后力和液体黏性阻力(内摩擦力)的影响。基于搭建的摩擦体系,研究人员通过改变注入水的体积,研究了摩擦系数随液体体积的变化规律,发现采用40μL去离子水时具有最低的动摩擦系数(μ=0.005)。通过改变接触应力和频率,研究揭示了摩擦系数随接触应力和滑移频率的变化规律,实现了255Pa的最大接触应力和0.002的最小摩擦系数,且在不同的边界滑移速度下均可获得超低的摩擦系数(图1)。此外,通过两界面间润滑组分(水)的注入,可避免基底和对偶之间的直接接触,进而防止了磨损现象的发生,实现了零磨损。

  研究团队采用多体耗散粒子动力学方法模拟了润滑液膜的动态剪切,将不同剪切速度和载荷的模拟结果与实验测试结果进行对比(图2),证实了该体系超低摩擦系数主要来源于滑移过程中接触角滞后力。研究人员还发现摩擦系数随接触应力的增大而减小,随频率的增大而增大,表明所构建的超低摩擦系统属于流体润滑范畴。

  研究发现,构筑的超低摩擦体系在较长的时间范围内(~5000 s)具有动态稳定性,将润滑组分由水替换为离子液体后仍可实现较低的摩擦系数。该工作为搭建基于绿色润滑组分的超低摩擦体系提供了模型。

  相关研究成果以Super-wetting interfaces as multiphase composite prototype for ultra-low friction为题发表在Green Chemistry上。研究工作得到了国家自然科学基金重点项目和面上项目的支持。

  论文链接 

图1 超低摩擦体系的构筑及摩擦学性能探究

图2 多体耗散粒子动力学模拟

图3 体系摩擦力来源分析及应用探究

打印 责任编辑:江澄

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