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超润滑性:固体润滑技术的新纪元?
发布时间:2020-09-15

1990年代初期,平寿元久创造了超级润滑一词。日本科学家从理论上预测存在某种物理状态,在某些条件下,两个接触表面之间的滑动摩擦实际上消失了。平野使用原子力显微镜进行了磨损摩擦研究,该工具可以在原子水平上测量表面侧向力。研究两个结晶固体表面(例如云母)之间的滑动行为,平野超润滑性:固体润滑技术的新纪元?观察到,当实心尖端旋转到某个角度时,摩擦力将下降到几乎无法测量的水平。后来,2004年来自德国的马丁·迪恩维贝尔(MartinDienwiebel)在使用原子力显微镜对石墨表面进行的更有控制的实验中表明,当两个接触的石墨表面彼此不相称时,有明显的超润滑迹象。但是,这些努力大部分时间都局限于纳米级到微米级,因为任何表面缺陷或表面粗糙度在结垢到较大面积时都会破坏超润滑性。

过去,关于超润滑性的定义一直不明确。如今,小于0.01的摩擦系数被认为是处于超润滑状态。

AnirudhaSumant博士是美国阿贡国家实验室(ANL)的美国能源用户设施部门纳米级材料中心纳米制造和设备部门的负责人,他是超润滑性研究的全球先驱。他在2015年发表的有关纳米金刚石与石墨烯融合的论文(Berman和Sumant等人,Science348(6239),1118-1122,2015年)被标记为固体润滑技术的“游戏规则改变者”。

Sumant说:“这是首次有机会摆脱纳米和微米级的局限,在工程规模上展现出超润滑性。”封装在石墨烯中的纳米金刚石充当纳米级滚珠轴承,可将接触表面之间的摩擦减小到几乎为零。

Sumant说,2018年发表的一篇论文(Berman和Sumant等人,NatureCommunications,9:1164(2018)将石墨烯替换为二硫化钼。结果出乎意料。化学反应破坏了纳米金刚石,形成了洋葱状碳球由球形石墨壳层组成,这种组合产生的超低滑动摩擦力可以承受较高的接触压力,并且由于碳球的尺寸较大,因此甚至适用于粗糙表面,重要的是,实现超润滑的时间从原来的5个减少了萨曼特(Sumant)说,要花7分钟到1秒的时间。

阿贡国家实验室的研究正在开创固体润滑技术的新纪元。在现实世界的工业应用中,强大而持久的超润滑性的潜力似乎几乎是无限的,因为这项技术有望对全球润滑剂行业产生巨大影响。在某些行业中,超润滑性能否完全取代油作为润滑剂?

Sumant说:“即使是大型石油公司,固体润滑剂也是一个非常重要的领域。”一些公司通过在其油和添加剂中引入石墨烯和其他纳米润滑剂,将摩擦降低了10-20%。但是,他们没有看到他们想要看到的一致性。随着时间的流逝,油中发生的摩擦化学反应是关键挑战。

Sumant说,尽管超润滑不可能导致润滑油的最终消亡,但“这项技术的前景非常光明。”就用户友好性和适用性而言,该技术更经济,使用寿命更长且更具优势。最大的挑战是改变传统观念。我们可以谈论新技术,但是要从实验室规模证明的基础科学思想渗透到工业规模需要花费时间。他说,除非他们以相同的成本看到性能的实质性改善,而又不改变现有的许多基础架构,否则很难说服他们技术的好处,因为通常情况下,它会降低成本。

干润滑剂在许多行业中已经很普遍。薄膜涂料是常见的应用,尽管它容易发生灾难性的故障。Argonne的技术与传统的薄膜涂料明显不同。特别是,自生润滑剂会不断自我调整以延长使用寿命。

阿贡国家实验室(ArgonneNationalLaboratory)在利用纳米材料在无油环境中实现宏观润滑的过程中取得了巨大的进步,现已开始转化为实际应用。

Sumant强调了Argonne国家实验室与美国领先的汽车制造商之间的合作。金属冲压是用于将扁平金属板转换为特定形状的制造过程。该方法广泛应用于汽车底盘的成形,尽管高温和接触压力导致的摩擦会产生薄弱点,这直接影响了车辆的安全性。

通常,汽车制造商使用油基润滑剂来最大程度地减少金属冲压过程中的摩擦影响。当前的方法有些问题。Sumant说,尽管润滑剂价格便宜,但在喷漆之前进行“乏味”的去除过程会增加可观的成本。喷涂石墨烯基涂层可以实现所需的摩擦和磨损减少,并且易于去除。Sumant表示,他的团队与行业合作,正在接近该项目的商业化,这将最终减少摩擦,提高性能和车辆安全性。

与世界上最大的石油和天然气公司之一的合作伙伴关系也提供了同样有希望的应用。海上天然气平台利用机械泵密封来隔离有害气体和油。现有的密封件在高速下承受极端压力,并且容易磨损和泄漏。更换密封件会导致生产停工并增加成本。Sumant的研究团队正在运用他们的技术来生产具有低磨损和低摩擦的机械密封,从而最大程度地减少了更换频率。他说,“要在工业规模上实现这一目标,还需要采取其他步骤”。

Argonne科学家进行的许多初步研究都集中在消除粗糙表面的状况和减少在滑动表面上达到超润滑性的时间。但是,2019年的一篇研究论文将纳米润滑的应用范围扩展到了滑动表面之外(Mutyala和Sumant等人,AppliedPhysicsLetters,115(10),103103,2019)—证明了纳米润滑剂技术即使在滑动和旋转运动结合的情况下也可以工作。该研究表明,风力涡轮机轴承的摩擦减小到接近零,具有改善使用寿命,降低成本和替代机油润滑的潜力。Sumant还预见了在电动汽车电池轴承中的重要应用。

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