Friction丨少层Ti₃C₂Tₓ/MoS₂异质结作为润滑添加剂的协同润滑机制

高端装备界面科技全国重点实验室

2022-08-23

导读：构筑了二硫化钼垂直负载于Ti₃C₂Tₓ纳米片的异质结复合润滑添加剂，确定了独特异质结结构在基础油中良好分散稳定性和增强滑动面摩擦行为的机制：摩擦诱导结构的演变、沉积膜和摩擦化学膜的协同作用，实现了其优

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研究背景

“兵马未动、粮草先行”，润滑油脂作为工业消耗品其至关重要。在某种程度上，润滑油脂的发展水平反映了一个国家工业的发展水平。随着我国工业呈现直线上升的趋势，轨道交通、风电、核电、冶炼、精密制造、重大装备等多行业领域对润滑油脂的需求成倍增长，我国已是世界润滑油脂消耗量第一大国。然而，随着机械装备服役工况和环境的极端化、苛刻化发展，这些装备及其关键运动部件在多场耦合作用下发生严重的磨损、磨蚀问题，对防护材料（润滑油脂、涂层等）的需求、特别是高技术指标的服役性能要求已经越发的严苛与迫切，随着国际局势的演变，打破国际技术垄断，研发自主知识产权的高性能工业润滑油脂满足其在苛刻工况与环境下的润滑功能及防护作用利国利民。

工业润滑油品能赋予机械部件系列性能优势，如高负荷下最低的机械应力、不会由于双向摩擦而产生过早疲劳现象、保证机器部件最长的使用周期、降低运行成本、密封防锈、且符合“双碳”目标等。然而，随着机械运动工况的极端化发展，对润滑油提出了更好的性能要求。如何才能满足使用工况的润滑性能要求，其中添加剂发挥着至关重要的作用（润滑添加剂的发展水平代表了润滑行业的发展水平），打破国际四大添加剂公司垄断，研制自主知识产权的复合润滑剂成为当务之急。

研究思路

纳米科学与技术的发展，以及多学科的交叉融合（特别是结合材料、机械、力学、化学、物理、冶金等），为高端复合添加剂的研发提供了良好的契机。这其中，典型的二维纳米材料（石墨烯、过渡金属硫化物、MXene等）因其独特的结构和性能优势，为纳米复合润滑添加剂的研发提供了着陆的温床。Ti₃C₂T_x MXene作为一种新兴二维材料自2011年发现以来便得到了广大研究者的青睐。Ti₃C₂T_x MXene具有的比表面积大、层间摩擦系数低、力学性能优异、端基的可调控性等特点为其用于提升基础润滑油的理化性能和摩擦学性能提供了基本理论与性能支撑。团队在二维纳米材料表面有机功能化方面积累了大量的经验，通过物理或化学接枝有机长烷基链等，可实现有机化处理后的石墨烯添加到基础油中易分散且长期稳定，并充分发挥了其减摩、抗磨性能，解决了某些行业润滑的痛点问题。

考虑到不同行业机械装备及不同运动部件运行的特异性及复杂性，有机化的二维润滑添加剂难以兼顾多方面性能，采用常规的纳米材料制备技术，基于某二维纳米层状材料为模板（载体）、原位还原制备另一相二维纳米材料，构筑含两相、甚至多相润滑组元的异质结结构，从而研发出负载性的复合添加剂，满足更多工况的润滑需求。

主要贡献

基于上述思路、及协同润滑理念，开展了少层Ti₃C₂T_x/MoS₂异质结的调制及作为润滑添加剂的研究工作，主要贡献如下：

（1）少层Ti₃C₂T_x/MoS₂异质结的调制：以Ti₃C₂T_x纳米片作为基体，通过水热法一步制备了Ti₃C₂T_x@MoS₂异质结复合纳米材料；基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理探究了不同构型的Ti₃C₂T_x@MoS₂异质结界面稳定性，理论计算表明，Ti₃C₂T_x@MoS₂异质结界面稳定性与Ti₃C₂T_x表面官能团种类及其与MoS₂的空间构型相关。

（2）少层Ti₃C₂T_x/MoS₂异质结的润滑效果：作为润滑添加剂，同单一Ti₃C₂T_x、MoS₂和他们的机械混合物相比，异质结展现了优异的减摩抗磨性能，0.3 wt%的异质结添加量，可降低工业基础油150N的摩擦系数和磨蚀率分别为38.85%和83.52%。

（3）少层Ti₃C₂T_x/MoS₂异质结的润滑机制：独特的异质结结构使其在基础油中具有良好的分散稳定性，易渗入摩擦界面，再者摩擦诱导结构的演变会消耗部分能量降低磨损，最后Ti₃C₂T_x/MoS₂沉积膜和由MoO₃、FeSO₄、铁氧化物组成的摩擦化学膜的协同作用，故三方面的协同作用实现了其优异的减摩抗磨功效。

潜在应用

现代装备及其机械运动部件均可使用这类高性能润滑剂，如高铁轮缘与塞拉门润滑、航母舰载机、工程机械装备、航空装备及精密制造等领域，满足运动部件苛刻、复杂环境下高可靠、高效能和长寿命的润滑与防护性能要求。

作者简介

冯鹏，西南交通大学材料科学与工程专业硕士，研究领域为润滑添加剂组分与性能调控。

樊小强，西南交通大学教授、博士生导师，四川省特聘专家，西南交通大学“雏鹰学者”、“科技新星”。研究领域为功能添加剂构筑、润滑与防腐耐磨材料调制及应用技术。

朱旻昊，国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者特聘教授、中组部万人计划科技创新领军人才、教育部创新团队带头人，西南交通大学首席教授。研究领域包括微动摩擦学、疲劳与磨损、表面工程。国家自然科学二等奖1项、教育部自然科学一等奖3项、国家教学成果一等奖1项。

期刊简介

Friction（《摩擦（英文）》）是清华大学主办的国内首个摩擦学领域国际学术期刊，旨在发表和出版涵盖接触、摩擦、磨损、润滑、表面粘着和界面科学跨学科的创新性研究论文及专题性综述文章，致力于为国内外摩擦学和表面界面科学领域的学者搭建一流的国际学术交流平台，促进摩擦学在中国和国际学术界之间的交流和发展。其2021年影响因子为4.924，五年影响因子为5.662，位居Q1区。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”领军期刊（全国共22项），2021年荣获“第五届中国出版政府奖期刊奖提名奖”。2022年变为月刊，年发文量120篇，在Springer平台和SciOpen平台同时完全开放获取出版。