科研進(jìn)展
蘭州化物所智能潤(rùn)滑研究取得新進(jìn)展
智能材料作為材料科學(xué)的革命性前沿，核心在于賦予材料感知、響應(yīng)及自調(diào)節(jié)的“生命特征”，是高端裝備的變革性基石。其中，智能潤(rùn)滑材料通過(guò)實(shí)時(shí)感知摩擦學(xué)狀態(tài)變化（如載荷、溫度），主動(dòng)釋放潤(rùn)滑劑或改變表面結(jié)構(gòu)，在極端工況下實(shí)現(xiàn)按需潤(rùn)滑與損傷自修復(fù)，是實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)維護(hù)到主動(dòng)防控的重大跨越，對(duì)突破高端裝備的可靠性瓶頸、降低能耗與碳排放、保障國(guó)家重大工程和綠色發(fā)展戰(zhàn)略具有深遠(yuǎn)意義。
近期，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤(rùn)滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心磨損與表面工程課題組研究人員設(shè)計(jì)了一種Cu/C復(fù)合薄膜智能潤(rùn)滑新材料，實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明其具有類生命體特征的“感知響應(yīng)-決策調(diào)控-修復(fù)”的智能潤(rùn)滑行為，并與武漢大學(xué)歐陽(yáng)穩(wěn)根教授團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合理論模擬和實(shí)驗(yàn)揭示了其中摩擦熱驅(qū)動(dòng)Cu納米團(tuán)簇固-液轉(zhuǎn)化、毛細(xì)管力牽引逐級(jí)遷移以及界面催化有序碳結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑的智能循環(huán)反饋機(jī)制。該系統(tǒng)表現(xiàn)出更高級(jí)的智能程度，一方面不需要額外的激發(fā)源，只需摩擦熱副產(chǎn)物；另一方面可根據(jù)摩擦狀態(tài)預(yù)先決策，按需潤(rùn)滑補(bǔ)充。同時(shí)該材料體系是一種全固態(tài)材料，具有更佳的力學(xué)和熱穩(wěn)定性，這為智能潤(rùn)滑設(shè)計(jì)提供了全新思路。
在摩擦過(guò)程中同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了摩擦系數(shù)、接觸電阻及金屬釋放量的變化（圖1）。在初始摩擦階段，摩擦系數(shù)較高（0.2以上），伴隨著金屬大量的遷移（電阻信號(hào)的波動(dòng)和金屬原子釋放）；隨后摩擦系數(shù)降低至較低水平（約0.05），進(jìn)入自調(diào)節(jié)潤(rùn)滑階段，根據(jù)摩擦狀態(tài)的輕微變化，金屬遷移微量補(bǔ)充；然后步入穩(wěn)定階段，摩擦系數(shù)非常平穩(wěn)，金屬幾乎不發(fā)生補(bǔ)充；當(dāng)更換一個(gè)新的對(duì)偶球后，潤(rùn)滑狀態(tài)破壞，金屬遷移快速發(fā)生，迅速完成潤(rùn)滑修復(fù)，再次重復(fù)上述循環(huán)過(guò)程，表現(xiàn)出像生命特征一樣的“感知響應(yīng)-決策調(diào)控-修復(fù)”的智能潤(rùn)滑行為。
實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論模擬結(jié)果（圖2）表明，Cu納米團(tuán)簇由于小尺寸效應(yīng)具有低的熔點(diǎn)，摩擦熱可驅(qū)動(dòng)Cu納米團(tuán)簇發(fā)生固-液相變，然后受到Laplace梯度壓力驅(qū)動(dòng)沿薄膜內(nèi)部晶界孔道向表面遷移。摩擦熱隨深度呈現(xiàn)梯度分布，而Cu納米團(tuán)簇隨尺寸增加展現(xiàn)出更高的熔點(diǎn)，所以Cu原子由薄膜內(nèi)部向表面遷移過(guò)程中，不斷發(fā)生著“固-液-固”相變，自發(fā)形成了尺寸梯度分布，沿著狹窄的納米孔道逐級(jí)向表面移動(dòng)。這種逐級(jí)遷移的機(jī)制賦予其智能決策調(diào)控的能力，實(shí)現(xiàn)按需潤(rùn)滑補(bǔ)充，可快可慢。同時(shí)體相內(nèi)金屬團(tuán)簇大多時(shí)間以固態(tài)形式存在，有效維持了薄膜優(yōu)異的力學(xué)性能。原位加溫透射電鏡觀測(cè)（圖3）表明，Cu納米團(tuán)簇周?chē)纱呋纬捎行蛱记驙罱Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑。密度泛函理論計(jì)算（DFT）揭示了催化機(jī)制，Cu與鄰近的C原子之間形成不穩(wěn)定的反鍵，使碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)松散、鍵合強(qiáng)度變?nèi)?，在摩擦引起熱振?dòng)過(guò)程中促進(jìn)C-C鍵的斷裂，進(jìn)而形成熱力學(xué)上更穩(wěn)定的sp2C。
綜上，Cu/C薄膜展現(xiàn)出智能潤(rùn)滑循環(huán)反饋機(jī)制（圖4）。初始，高摩擦產(chǎn)生大量摩擦熱，驅(qū)使薄膜內(nèi)部的Cu納米團(tuán)簇液化并向表面遷移，在摩擦界面催化形成有序碳潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，達(dá)到潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦熱驅(qū)動(dòng)金屬遷移終止。當(dāng)潤(rùn)滑狀態(tài)有不能維持的趨勢(shì)時(shí)，摩擦熱副產(chǎn)物再次驅(qū)動(dòng)金屬遷移，循環(huán)調(diào)控?；诖?，微米量級(jí)的Cu/C薄膜在真空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了超低摩擦系數(shù)（約0.04）和超長(zhǎng)耐磨損壽命（超過(guò)40千米），有效解決了碳膜材料長(zhǎng)期以來(lái)真空潤(rùn)滑壽命短的領(lǐng)域難題。
相關(guān)研究成果以“An intelligent feedback loop for sustaining self-lubrication and wear resistance”為題發(fā)表在Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-026-73957-6）上。蘭州化物所康富燕博士生、武漢大學(xué)鄧仕林博士生和蘭州化物所李畔畔助理研究員為論文共同第一作者，蘭州化物所吉利研究員、李紅軒研究員和武漢大學(xué)歐陽(yáng)穩(wěn)根教授為共同通訊作者。
該工作得到了中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基礎(chǔ)科研基金等項(xiàng)目的支持。?
圖1.Cu/C復(fù)合薄膜的智能潤(rùn)滑行為
圖2.摩擦熱驅(qū)動(dòng)Cu納米團(tuán)簇相變與遷移
圖3.Cu納米催化有序碳結(jié)構(gòu)原位形成與機(jī)制
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圖4.Cu/C復(fù)合薄膜智能潤(rùn)滑反饋循環(huán)機(jī)制和超長(zhǎng)壽命真空潤(rùn)滑性能
