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【人民日?qǐng)?bào)】何梁何利獎(jiǎng)獲得者、蘭州化物所研究員張俊彥：在摩擦系數(shù)中追問極限
何梁何利基金2025年度頒獎(jiǎng)大會(huì)此起彼伏的閃光燈下，張俊彥研究員把證書捧在手里，思緒卻依然還在實(shí)驗(yàn)室：下一輪驗(yàn)證還沒完成，下一代裝備的工況還會(huì)更苛刻，運(yùn)動(dòng)副摩擦界面的條件會(huì)更復(fù)雜。他深耕潤滑與防護(hù)材料研究三十余載，“科研要把問題的答案做出來。與工程相關(guān)的工作，還要在實(shí)際工況里站得住?！?/span>
摩擦離我們的生活并不遠(yuǎn)，從我們?nèi)梭w的關(guān)節(jié)到汽車、衛(wèi)星火箭等的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，如汽車，輪胎滾動(dòng)一次、發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)一次、剎車一次，摩擦都在場(chǎng)。摩擦帶來能耗，也帶來磨損，磨損積累到一定程度，零部件就會(huì)失效。統(tǒng)計(jì)數(shù)字讓人吃驚：全球一次能源消耗里有相當(dāng)一部分被摩擦“吃掉”；很多機(jī)械零部件的失效，起因也和磨損脫不開關(guān)系。
張俊彥做的事，就是在摩擦發(fā)生的那一瞬間，把它“馴服”，把磨損“擋住”。
1968年張俊彥出生在甘肅榆中。樸素務(wù)實(shí)的鄉(xiāng)土環(huán)境鍛煉了他做事沉穩(wěn)的心性。
1990年本科畢業(yè)后，他來到中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所工作。摩擦學(xué)和固體潤滑是一門涉及物理、化學(xué)、材料、力學(xué)、機(jī)械等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，需要把概念搞清楚，把規(guī)律摸透，也需要把實(shí)驗(yàn)習(xí)慣練扎實(shí)。求知的欲望讓他繼續(xù)“扎實(shí)系統(tǒng)”地夯實(shí)基礎(chǔ)：向?qū)熀屯绿撔那蠼虒W(xué)科前沿的共性問題，然后積極探索把問題分解到自己可思考可驗(yàn)證的具體小問題。1999年底，他在中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所完成博士學(xué)位。
2000年初，他前往美國加州大學(xué)伯克利分校、阿拉巴馬大學(xué)、萊斯大學(xué)等學(xué)校從事博士后研究，跟隨導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)開展摩擦潤滑失效研究工作。他珍惜機(jī)會(huì)，也非常投入。在別人關(guān)注“平臺(tái)”和“名?！惫猸h(huán)時(shí)，他更看重方法，尤其是研究節(jié)奏、問題意識(shí)和實(shí)驗(yàn)邏輯。“在世界名校，你會(huì)看到很多東西，但真正改變自己的是你怎么把學(xué)習(xí)變成自己的能力?！被厥走@段時(shí)光，張俊彥如是說。
出國的意義在他看來有三點(diǎn)：學(xué)習(xí)、開闊視野、拓展方向；同時(shí)建立合作網(wǎng)絡(luò)，讓科研更開放、更能聯(lián)系實(shí)際需求，把研究變成網(wǎng)絡(luò)里的協(xié)作。2005年，他毅然回到蘭州，他給出的理由很簡(jiǎn)單：美國不是家。
用“碳薄膜”把口子堵上
回國不久，一個(gè)關(guān)乎中國汽車工業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重大難題，就擺在了張俊彥及其團(tuán)隊(duì)面前。二十一世紀(jì)初，我國汽車工業(yè)，尤其是作為汽車“心臟”的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相對(duì)落后。其中，高壓共軌系統(tǒng)是高功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高效、清潔燃燒的核心系統(tǒng)，其燃油噴射系統(tǒng)的柱塞偶件在高速、高壓工況下的摩擦磨損問題，直接導(dǎo)致壓力下降、燃油泄漏，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的減排效果和可靠性，成為制約國產(chǎn)汽車核心競(jìng)爭(zhēng)力提升的“卡脖子”難題之一，也是《科技日?qǐng)?bào)》后來報(bào)道的35項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)之一。
問題的癥結(jié)在于運(yùn)動(dòng)副的摩擦界面材料。金屬部件材料在微小間隙高速高壓極端工況下容易失效，必須為這些精密零件表面“穿上”一層特殊的“衣服”——一層極薄的固體潤滑薄膜。這層膜既要具備超低的摩擦系數(shù)，又要有極高的硬度和結(jié)合力，能夠承受高壓沖擊而不脫落、不變形；同時(shí)，還不能改變零部件的原有尺寸和機(jī)械強(qiáng)度。
面對(duì)挑戰(zhàn)，張俊彥帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開啟了一場(chǎng)長達(dá)十年的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)。他們選擇的研究方向是碳基固體潤滑薄膜，目標(biāo)是讓碳原子以一種特定的、具有超潤滑特性的方式排列起來——即類富勒烯結(jié)構(gòu)（富勒烯結(jié)構(gòu)俗稱為足球分子結(jié)構(gòu)）。
功夫不負(fù)有心人。團(tuán)隊(duì)通過精密的等離子體能量調(diào)控技術(shù)，成功“剪裁”出具有特定納米結(jié)構(gòu)的碳薄膜，實(shí)現(xiàn)了摩擦系數(shù)低于0.01，甚至低至0.002的突破性結(jié)果——這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)低于一般油脂潤滑的0.05，意味著摩擦阻力降低了25倍。他們還從科學(xué)機(jī)理上揭示了其奧秘。在摩擦過程中，薄膜表面能自發(fā)形成類似洋蔥卷的微觀結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)超低摩擦的關(guān)鍵，這一發(fā)現(xiàn)得到了國際摩擦學(xué)界的高度認(rèn)可。
張俊彥團(tuán)隊(duì)與一汽聯(lián)合成立了“汽車摩擦學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”。相繼攻克了超低摩擦碳薄膜的可控制備、在150℃低溫下于軸承鋼等材料表面實(shí)現(xiàn)高結(jié)合力沉積、以及保證大批量生產(chǎn)一致性的工藝與裝備一體化集成等系列工程化難題。最終，成功解決了高壓共軌系統(tǒng)在2微米微小間隙內(nèi)，因高速高壓導(dǎo)致的摩擦熔焊問題，以及高壓柱塞泵的磨損泄壓頑疾。
張俊彥常說：“材料能不能用，最終得看裝備能不能靠它跑起來。”
“啟動(dòng)那一下”最要命
汽車磨損是現(xiàn)實(shí)問題，航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域的磨損會(huì)更像災(zāi)難預(yù)告。航天器需要?jiǎng)用芊饧L期工作，磨損會(huì)帶來泄漏風(fēng)險(xiǎn)。巨輪和大型工程裝備的關(guān)鍵軸承如果卡死，可能造成整套系統(tǒng)失去動(dòng)力。很多人認(rèn)識(shí)到磨損會(huì)發(fā)生，但容易忽視起點(diǎn)?！皢?dòng)那一下最要命?！睆埧┥羁痰卣J(rèn)識(shí)到，機(jī)械裝備的磨損往往始于“啟動(dòng)瞬間”，并貫穿整個(gè)服役周期。
長期以來，我國高端自潤滑滑動(dòng)軸承依賴進(jìn)口，核心技術(shù)與產(chǎn)品被國外壟斷，不僅成本高昂，還面臨“斷供”風(fēng)險(xiǎn)。張俊彥團(tuán)隊(duì)提出“從材料設(shè)計(jì)到制造工藝再到服役延壽”的全鏈條創(chuàng)新思路，突破了材料基體/潤滑/耐磨相界面調(diào)控、滑動(dòng)軸承工況適應(yīng)性設(shè)計(jì)與規(guī)?；圃斓汝P(guān)鍵技術(shù)，研制了系列高耐磨自潤滑材料及其滑動(dòng)軸承，最終實(shí)現(xiàn)了高端自潤滑滑動(dòng)軸承的自主可控和國產(chǎn)化。
在啟動(dòng)階段，針對(duì)精密裝備因動(dòng)靜摩擦系數(shù)差異導(dǎo)致的“爬行”抖動(dòng)難題，團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)筑碳烯類、硅烷類等有機(jī)分子薄膜，有效抑制了“爬行”抖動(dòng)。保障了裝備啟動(dòng)的平穩(wěn)性與精度。
在抗磨強(qiáng)化階段，他們研發(fā)了高功率微脈沖編程磁控技術(shù)，讓二硫化鉬薄膜晶粒細(xì)化和致密化，使其硬度比傳統(tǒng)薄膜提升35倍，磨損壽命延長20倍。與此同時(shí)還有納米晶彌散強(qiáng)化，用氮化鋁鈦薄膜提高耐磨性能。團(tuán)隊(duì)也開展金屬摻雜與碳納米晶尺寸調(diào)控，通過一系列薄膜組合在強(qiáng)度與韌性之間尋找合適的平衡。
截至目前，已有超過600萬件國產(chǎn)高端自潤滑滑動(dòng)軸承，裝配于各類重大工程和裝備之中，徹底打破了國外壟斷，為中國高端裝備制造業(yè)裝上了自主可控的“中國關(guān)節(jié)”。
把“工程化鴻溝”走過去
薄膜研究為何難？張俊彥說獲得你希望的結(jié)構(gòu)并不只是“想出來”，還要在實(shí)驗(yàn)中重復(fù)試錯(cuò)，找到可形成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的制備窗口。窗口需要在實(shí)驗(yàn)中逐步摸索出來，再讓窗口變窄，變得更可控。
他用類比解釋結(jié)構(gòu)形成的概率問題。在柴火燒鍋灰里，碳結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)納米金剛石、洋蔥碳、碳納米管、石墨烯等。但問題不在于“可能有”，而在于“如何讓某一種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的概率更高”。薄膜研究本質(zhì)上就是提升目標(biāo)結(jié)構(gòu)形成的概率，讓偶然成功變成可重復(fù)的能力。
工程化通常包括臺(tái)架試驗(yàn)、部件級(jí)驗(yàn)證、系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，以及整體配套驗(yàn)證與產(chǎn)業(yè)化。臺(tái)架試驗(yàn)不僅花錢，周期也長，甚至有些評(píng)估要等半年甚至一年后才能拿到后續(xù)結(jié)果。
從薄膜到工程化，中間隔著一條長時(shí)間的鴻溝。張俊彥把這條鴻溝講得很直白：工程化需要把實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)線與真實(shí)工況，并經(jīng)歷多層驗(yàn)證。周期長，存活概率不確定。他用“存活概率很低”來表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)感。
2012年，他和團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了解決國家重大工程核心部件摩擦磨損失效的任務(wù)，首次方案實(shí)驗(yàn)完成后，信心滿滿的團(tuán)隊(duì)成員都受到了巨大打擊——上臺(tái)架后實(shí)驗(yàn)完全失敗。面對(duì)挫折，張俊彥鼓勵(lì)同事們勇敢面對(duì)失敗，重新開始攻關(guān)。時(shí)間緊、任務(wù)重，他們頂住壓力，夜以繼日地分析失敗原因、研究新方案，先后設(shè)計(jì)制備了800多組不同材料設(shè)計(jì)樣品。在扎實(shí)的基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)篩選和臺(tái)架試驗(yàn)，新方案最終圓滿達(dá)成，順利完成攻關(guān)任務(wù)。
工程化不是線性加速，它是一個(gè)反復(fù)淘汰與持續(xù)改進(jìn)的過程。為了讓技術(shù)活下來，除了儀器與方法，你還需要合作伙伴愿意投入體系化的時(shí)間與資源。國家項(xiàng)目與相關(guān)支持能提供保障，但需求方在關(guān)鍵階段貼錢支持也同樣重要。技術(shù)落地不是實(shí)驗(yàn)室一個(gè)團(tuán)隊(duì)的勝利，是多方共同把風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)下來的結(jié)果。
跟著“要做什么”走
在很多科學(xué)家故事里，天賦和機(jī)會(huì)常被提起。張俊彥講自己成長時(shí)，關(guān)鍵放在“思想”。他反復(fù)提到目標(biāo)感與方向感。有人把投入越多當(dāng)作必然，但他認(rèn)為更接近成功的前提是目標(biāo)清晰。
他說，方向并不是隨意挑選的賽道，而是要在學(xué)科結(jié)構(gòu)里保持一致性。潤滑的世界有自己的分工，也有自己的耦合。材料要講，機(jī)理要講，工程要講。
他也承認(rèn)過自己曾經(jīng)“不清晰”。博士階段前后，他走過彎路。直到博士階段，博士生導(dǎo)師帶著他進(jìn)入潤滑學(xué)科，研究主題逐漸明確，落在“摩擦化學(xué)”和“潤滑劑分子結(jié)構(gòu)與摩擦化學(xué)的相關(guān)性”上?！澳憧吹降氖莿e人更快，還是別人把方向想得更深？這會(huì)決定你如何把學(xué)習(xí)真正變成研究能力?！睆埧┱f。每個(gè)階段都回到“我在追什么”，關(guān)鍵的是原創(chuàng)思想的生成能力，以及研究思路的組織方式。
他也有自己的方法獲取思路，多看文獻(xiàn)，多交流聊天。閱讀不是抄作業(yè)，是看別人怎么提出想法，想法從哪里來的。交流不是求答案，是換一種問法，讓卡住的過程出現(xiàn)出口。他稱之為“知識(shí)結(jié)構(gòu)外擴(kuò)”。不斷碰撞，讓想法從“可能”走到“可做”，再走到“可驗(yàn)證”。
張俊彥扎根蘭州化物所30余年，在實(shí)驗(yàn)室做研究，也在平臺(tái)建設(shè)上投入。他大膽起用和培養(yǎng)青年人才，為他們搭建舞臺(tái)、壓擔(dān)子。2019年擔(dān)任蘭州化物所先進(jìn)潤滑與防護(hù)材料研發(fā)中心主任后，他著力提升中心承接國家重大任務(wù)的能力，建成蘭州潤滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心、中國科學(xué)院材料磨損與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，為青年人才的成長提供了肥沃的土壤，培養(yǎng)出一支扎根西部的科研隊(duì)伍。
他育人堅(jiān)持一套樸素邏輯：頂天立地。頂天解決基礎(chǔ)科學(xué)問題，立地解決實(shí)際工程技術(shù)問題，真正推動(dòng)科技進(jìn)步。在團(tuán)隊(duì)里，他常帶學(xué)生去看裝備在現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)，再回到實(shí)驗(yàn)室拆解、分析、討論問題。他鼓勵(lì)年輕人先把問題定義清楚，再往制備和表征走。先確定目標(biāo)與驗(yàn)證路徑，再追結(jié)構(gòu)和性能，避免研究在錯(cuò)誤方向上重復(fù)投入。截至目前，他培養(yǎng)博士21名、碩士7名、博士后4名。
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