第一作者：易雙
通訊作者：李津津
通訊單位：清華大學
研究背景
摩擦磨損在機械表面造成巨大的能量損失，將帶來嚴重的材料損失，從而造成工件使用壽命縮短，機械安全事故增加等問題。目前，許多研究人員使用多種方法來減少摩擦和磨損，其中包括固體和液體潤滑。基于上述研究背景，研究人員提出超滑技術（超滑是指滑動摩擦系數（COF）小于0.01的一種潤滑狀態），它可以從納米尺度到宏觀尺度進一步改善潤滑性能，從而提供超低摩擦和磨損以減少能量損失。在以前的研究中，固體超滑已經從理論模型到宏觀尺度實現。例如，存在用于實現超潤滑性的碳納米結構，其包括碳納米管、石墨烯、納米金剛石、洋蔥狀碳、非晶碳和類金剛石碳（DLC）。由于類金剛石膜的優異性能，對類金剛石膜超滑的研究主要集中在其潛在的工程應用上。這是由于DLC通常只能在干燥的環境中實現超滑，例如：氮氣、氬氣和氫氣環境。在宏觀條件下很難實現，從而制了DLC在工程中的應用。
成果簡介
近日，重慶大學材料科學與工程學院易雙助理教授（第一作者）、張育新教授，饒勁松副研究員，清華大學機械工程系李津津副教授(通訊作者)等學者報道了一種簡單的表面改性方法，通過將n-癸基三乙氧基硅烷（DTEOS）分子接枝到少層黑磷納米片制備親油性的黑磷納米片（DTEOS-BP），并將其用作聚α-烯烴油（PAO）中的納米潤滑添加劑。得到的潤滑液可以在含有類金剛石薄膜的軸承鋼上實現穩定的超滑狀態。通過探討DTEOS-BP潤滑添加劑的濃度、載荷和滑動速度范圍，實現摩擦系數穩定在0.006。揭示了親油性黑磷潤滑添加劑的超滑規律和作用機理。相關論文Alkyl-functionalized Black Phosphorus Nanosheets Triggers Macroscale Superlubricity on Diamond-like Carbon Film已在線發表于工程技術與化學化工領域最有影響力的三大頂級刊物之一 Chemical Engineering Journal(中科院一區，影響因子:16.744)。
要點1: 一種簡單的親油性黑磷納米片改性方法
首先，我們使用研磨罐對較大尺寸BP薄片研磨成相對較小的（約200 μm）BP薄片。然后，在研磨罐中添加DTEOS薄片和小尺寸BP薄片以形成混合物。將混合物放入球磨機中球磨8小時得到的混合物進一步分散在純水中超聲處理。然后，將完全混合的溶液轉移到反應釜中，以獲得DTEOS-BP納米片（圖1）。最后，將所得DTEOS-BP納米片作為潤滑添加劑引入PAO中，DTEOS-BP的濃度范圍為0.05至0.5 wt.%。
圖1. DTEOS-BP納米片和DTEOS-BP混合物作為PAO潤滑添加劑的合成制備示意圖。
要點2: 通過使用DETOS-BP-PAO潤滑劑實現超低摩擦系數
為了評估DTEOS-BP作為PAO潤滑添加劑的宏觀潤滑性能，我們在法向載荷為3 N、滑動速度為0.098 m/s的情況下，使用軸承鋼球和沉積在軸承鋼上的類金剛石薄膜進行了摩擦實驗（圖2），并與原始PAO潤滑油進行了比較。我們可以觀察到COF在最初的100秒內大幅降低，然后在這種新型潤滑劑（DTEOS-BP-PAO）的潤滑下進入超潤滑狀態（COF<0.01）。此后，COF始終保持在0.01以下，1000秒后逐漸降至0.006，最終保持在0.0043至0.0062的范圍內。這種超潤滑狀態的穩定性可以維持至少2.9小時，相當于1023.12米的滑動距離。我們還將對比了不同滑動速度，法向載荷以及濃度下的摩擦性能情況。結果表明當滑動速度從0.084 m/s增加到0.126 m/s，濃度范圍在0.2～0.4 wt.%，以及法向載荷在1到3 N下可以保持超滑狀態（COF從0.006到0.009略有變化）這表明存在一個最佳滑動速度、濃度和法向載荷范圍，在該范圍內，通過DTEOS-BP-PAO潤滑可以實現穩健的超滑狀態。
圖2.潤滑性能表征：（a）在3 N的法向載荷和0.098 m/s的滑動速度下，PAO和DTEOS-BP-PAO潤滑下COF的變化曲線。插入圖像是COF從1200到1750 s的放大視圖。（b）在3 N的法向載荷下的超滑期間，滑動速度對COF的影響，此時DTEOS-BP納米片的濃度為0.3 wt.%。（c）在法向載荷為3 N、滑動速度為0.098 m/s的情況下，通過DTEOS-BP-PAO和不同濃度的DTEOS-BP納米片進行潤滑的超滑期間的COF變化曲線。（d）在不同法向載荷、濃度為0.3 wt%和滑動速度為0.098 m/s的情況下，超滑期間的COF變化曲線。
要點3: 親油性納米潤滑添加劑為超滑開辟了一條新的道路
該研究通過制備親油性黑磷納米片作為潤滑添加劑，并在基礎油中引入DTEOS-BP納米片，形成復合摩擦膜，該摩擦膜通過固液耦合協同作用下提高潤滑性能（摩擦系數穩定在0.006，磨損下降17.56%，接觸壓力提高90.16%）。這是因為DTEOS-BP納米片進入接觸區后，吸附的DTEOS-BP納米片可以為邊界潤滑提供較低的剪切強度，剪切面從鋼/硅DLC轉移到DTEOS-BP納米片的層間滑動。同時，DTEOS-BP納米片與摩擦表面之間發生摩擦化學反應，導致在摩擦表面上形成包含磷氧化物、硅氧化物和非晶碳的復合摩擦膜（圖3）。磷氧化物和硅氧化物可以為邊界潤滑提供極低的剪切強度。此外，摩擦膜中吸附的磷氧化物、硅氧化物和非晶碳可以降低鋼和硅DLC之間的直接接觸比率，以抑制表面磨損，同時減少摩擦能量耗散，從而降低摩擦。
圖3. 在室溫下，滑動速度為0.098 m/s，法向載荷為3 N的DTEOS-BP-PAO潤滑后，軸承鋼表面摩擦膜的橫截面透射電鏡圖。（a）軸承鋼表面形成的摩擦膜的HRTEM圖像。（b）在鋼表面形成的摩擦膜的HRTEM放大圖像.（c-h）鋼表面（A）區域中P、Si、c和O的元素沿橫截面分布。
參考文獻
Yi, S., Li, J., Rao, J., Ma, X., & Zhang, Y. (2022). Alkyl-functionalized Black Phosphorus Nanosheets Triggers Macroscale Superlubricity on Diamond-like Carbon Film. Chemical Engineering Journal, 137764.
DOI: 10.1016/j.cej.2022.137764
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137764
作者簡介
易雙，重慶大學材料科學與工程學院助理教授，清華大學首批水木學者計劃獲得者，作為項目負責人主持國家及省部級項目3項，擔任Nano Materials Science等期刊青年編委，研究領域包含切削加工潤滑作用機理，二維材料合成制備，液體分子與固體涂層設計，固液耦合作用機制等。
李津津，清華大學機械工程系副教授。研究領域包括機械表面潤滑理論、納米添加劑和超滑技術的研究。作為負責人先后主持了科技部重點研發計劃課題、國家自然科學基金面上、青年基金等10余項科研項目。擔任《Friction》和《Tribology and Lubricants》的期刊編委，入選了中國科協托舉人才工程，榮獲上銀優秀博士論文獎、溫詩鑄楓葉獎-青年學者等獎項。
張育新，重慶大學材料科學與工程學院教授/博導，研究領域包含硅藻土基復合材料研究的研制工作。承擔并參與國家自然科學基金等科研項目10項，榮獲 2016 年重慶市科技創新領軍人才，重慶市自然科學三等獎，重慶市科技進步一等獎，重慶市創新爭先獎，2020，2021年入圍科睿唯安(Clarivate Analytics)全球高被引科學家。
課題組簡介
重慶大學硅藻新材料研究中心
重慶大學硅藻新材料研究中心以硅藻新材料為核心，致力于納米材料的制備與應用，自組裝納米結構，水處理，防腐防污，潤滑耐磨以及超級電容器電極材料的開發。研究方向包括:新能源與特殊功能材料、環境材料、吸波材料、低維與納米材料等。課題組承擔/完成過十余項國家級、省部級和企業委托項目，獲省部級科技成果一等獎1項、二等獎2項及國家級、省部級教學成果獎多項。
清華大學摩擦學國家重點實驗超滑團隊
清華大學摩擦學國家重點實驗超滑組長期以來致力于液體潤滑技術研究，研究方向主要包括: 機械表面潤滑理論、納米添加劑和超滑技術等。課題組承擔973，國家自然科學基金、重點研發計劃等科研項目，榮獲國家技術發明三等獎，國家自然科學二等獎，國家科技進步二等獎，省部級科技獎，國際獎和中國摩擦學最高成就獎等獎項。
團隊主頁：http://sklt.tsinghua.edu.cn/
