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近日，清華大學(xué)機械系摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室何永勇課題組從邊界潤滑膜和動(dòng)壓潤滑膜的耦合作用行為角度，首次系統地解釋了液體潤滑界面摩擦和磨損性能的逆相關(guān)現象，澄清了邊界潤滑膜與動(dòng)壓潤滑膜的內在耦合機理，提出了二者的耦合模型。這項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的可控設計具有重要的學(xué)術(shù)和技術(shù)價(jià)值。
研究發(fā)現，相同實(shí)驗條件下，脂相潤滑狀態(tài)的石墨烯和六方氮化硼的摩擦系數顯著(zhù)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的磨痕深度卻顯著(zhù)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(wèn)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的摩擦系數更大，但磨損卻更??？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重，為什么其摩擦系數卻更??？
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顯著(zhù)低于二硫化鉬和二硫化鎢，但磨痕深度卻顯著(zhù)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了界面的抗摩擦和抗磨損性能。研究發(fā)現，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。在機械應力和摩擦熱的誘導下，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。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(guò)實(shí)驗和計算流體動(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(lái)源于兩方面，一是界面粗糙峰的接觸（磨損），二是來(lái)源于潤滑介質(zhì)的內部剪切力（黏滯阻力）。研究發(fā)現石墨烯和六方氮化硼的動(dòng)壓膜厚度顯著(zhù)小于二硫化鉬和二硫化鎢。動(dòng)壓潤滑膜流速隨著(zhù)膜厚降低而增大，于是石墨烯和六方氮化硼顯著(zhù)增強潤滑脂的剪切稀化現象，其對應的動(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
根據此研究，課題組在《細胞》（Cell）旗下物質(zhì)學(xué)子刊《細胞報道物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）上發(fā)表題為“邊界潤滑膜與動(dòng)壓潤滑膜的耦合效應”（Coupling effect of boundary tribofilm and hydrodynamic film）的論文，論文第一作者為機械工程系2021級博士生金寶，通訊作者為清華大學(xué)機械系摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗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)基金項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（973項目）和摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室摩擦學(xué)科學(xué)基金支持。
