超润滑（Superlubricity）是指摩擦系数小于0.01时的润滑状态。超润滑技术的发展可大大降低能源消耗和经济损失，同时也是实现“碳达峰、碳中和”的有效手段之一。然而，目前大部分超润滑状态的实现仍需较长的磨合期，长时间的磨合使摩擦副在未达到超润滑状态时就可能已发生了严重磨损。因此，如何设计具备超短磨合期的超润滑材料成为该领域的技术难题。
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王道爱研究员团队设计开发了多种基于天然有机酸的液体超润滑材料，在宏观尺度液体超润滑研究方面取得系列进展，将磨合期缩短至几秒内。
研究人员利用单宁酸和聚乙二醇之间的氢键相互作用，研发了一种新型绿色环保液体超润滑材料，该润滑剂可将氮化硅球与玻璃之间达到超润滑状态的磨合期缩短至9s，摩擦系数低至0.005（图1）。此外，研究人员还发现了一种新型天然超润滑材料-植酸水溶液，其超润滑状态在较低接触应力下（0.4MPa）至少可维持13h，且该润滑剂可在聚二甲基硅氧烷（PDMS）与金属、聚合物和无机非金属等多种摩擦副材料之间实现快速超润滑（图2）。相关研究成果发表在Friction（2023,11,748-762）和Tribology International（2023, 183, 108387）上，并获中国发明专利授权两项（ZL 202111457707.1；ZL 202210561423.5）。
图1.聚乙二醇-单宁酸液体超润滑材料的设计制备
图2.植酸水溶液超润滑性能的普适性
近日，研究人员在液体超润滑体系设计方面再次取得新进展，将磨合时间缩短到1秒内。该研究利用植酸、多元醇以及水分子的协同作用，实现了同时具有超短磨合期（~1s）、极低磨损率（2.51 × 10-9 mm3·N-1·m-1）和高承载能力（758MPa）的宏观液体超润滑（摩擦系数为0.006）。采用Hamrock-Dowson公式计算分析，确定了该超润滑剂的润滑状态为全膜润滑（流体动力润滑），润滑膜的厚度远远超过摩擦副表面的等效粗糙度，从而有效避免了两界面粗糙峰之间的直接接触。润滑剂中的植酸分子能在短时间内快速吸附到摩擦副的表面，这可能是该超润滑材料可在超短磨合期后实现超润滑的关键因素之一。此外，锚定在摩擦副之间的水分子以及植酸-多元醇之间的强氢键作用使得该润滑剂同时具有低摩擦和高承载能力（图3）。该研究为设计具有超短磨合期的液体超润滑材料提供了新的研究思路和技术支撑。
图3.植酸-多元醇水溶液的液体超润滑性能以及机理示意图
该研究工作以“Macroscale Superlubricity with Ultralow Wear and Ultrashort Running-In Period (～1s) through Phytic Acid-Based Complex Green Liquid Lubricants”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c22402），中国科学院大学杜长合博士生和兰州化物所于童童助理研究员为论文第一作者，王道爱研究员为通讯作者。
上述几种基于天然有机酸的液体超润滑材料具有绿色环保、性能优异、成本低廉的优点，有望在金属切削加工和生物医疗等领域广泛应用。目前，该团队正在积极推进相关技术的应用和转化。
以上工作得到了国家自然科学基金项目、中科院重点研究计划项目、甘肃省重大科技专项及兰州化物所“十四五”规划重点培育项目等的支持。
来源：固体润滑国家重点实验室
