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在人类的日常生活和工业化进程中,不必要的摩擦磨损现象造成了巨大的能源损耗和材料损失。与发达国家相比,我国单位GDP的能源消耗值更高,整体的机械装备平均使用寿命更短,低端高耗能装备制造仍占主导地位,导致我国面临严峻的资源浪费问题。因此,以提高能源效率为目标,提升良好的润滑系统,进而发展现代工业革命已成为迫在眉睫的挑战。
在1990年,日本学者Hirano 和Shinjo提出了一种理想的接近“零摩擦”的状态——超滑(Superlubricity),即该状态下的摩擦和磨损可以忽略不计。目前超滑的定义是指滑动摩擦系数为0.001量级的润滑状态。因此,在众多科学研究中,如何将不必要的摩擦力降到最低(甚至实现超滑)成为人们关注的话题。在过去的三十年中,随着测量技术和方法的发展,超滑的理论基础和实验结果都在各种尺度上不断被创新和发现。
目前,已经广泛报道了基于两种不同润滑材料可获得超滑性能的方法,按照材料的种类通常分为固体和液体超滑两类。在微米或纳米尺度获得的固体超滑特性,被认为是两个滑动表面在特定条件下具有极低的相互作用。当晶格完整的二维材料处于非公度状态时,其层间摩擦力在一定条件下会急剧减小。然而,相较于实现固体超滑的苛刻要求,液体超滑在宏观尺度中更容易被实现。最近几年广泛报道了对该方向的研究,例如水基陶瓷润滑,聚合物分子刷润滑和多羟基水溶液。由于可以在宏观尺度大气环境条件下实现液体超滑,因此在实际工业生产条件下具有更广泛的应用前景。
此外,工业生产过程中通常使用不同种类的润滑添加剂以起到减少摩擦、降低磨损的效果,进而能够提高生产效益、延长部件使用寿命、提升能量传递效率。近些年来,纳米二维材料由于其特殊的理化性能和结构,吸引了研究学者极大的关注,相较于普通纳米颗粒而言可以更大概率地进入接触区,从而在润滑添加剂领域被广泛研究与应用。随着化学合成方法以及表征手段不断改进,诸多纳米二维材料被成功地运用到了摩擦学研究中。
该综述按照不同种类纳米二维材料润滑添加剂的发展历程,分别探讨了黑磷(BP)、氧化石墨烯(GO)、层状双金属氢氧化物材料(LDH)的润滑以及超滑研究,总结了各个润滑系统的性能和机理,分别介绍了各种二维材料的超滑特征,为后续开展相关研究提供了建设性帮助。
目前而言,对超滑材料的深入挖掘、对超滑过程作用机理以及调控机制的深层次探索将推动超滑体系的进一步完善,对解决超滑在工业化应用中的关键问题具有重要的理论参考价值和实践参考意义,进而为前沿领域精密机械结构的性能提高、寿命延长带来强有力的技术支撑和切实可行的解决方案。
王鸿栋,清华大学摩擦学国家重点实验室博士后,全国博士后创新支持计划获得者。研究领域包括微纳制造与水基超滑。目前于上海大学机自学院任职副教授。
刘宇宏,清华大学机械工程系副教授,国家自然科学基金委“优秀青年”项目获得者。研究领域包括水基润滑、超滑与纳米制造。获中国产学研合作创新奖。
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的国际性学术期刊,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2019年度影响因子为5.290,在国际摩擦学领域15余种SCI-E数据库收录期刊中排名第一,成为我国乃至亚洲首个进入全球机械工程领域前10名的国际学术期刊(大类学科排名前8%),2020年在线发文量超过160篇。
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