文：布鲁克纳米表面仪器部门黄鹤博士
常州大学王莹教授及其研究团队在碳微球作为水基润滑中作为润滑添加剂研究中取得重要发现。这项新的研究使用葡萄糖作为碳源采用热液法制备了直径130到250纳米的硬质碳微球，摩擦学实验结果发现特定尺寸一定重量百分比的碳微球将显著降低钢在光滑硅表面的摩擦和磨损。该研究成果（Water-Based Lubrication of Hard Carbon Microspheres as Lubricating Additives）于2018年10月27日发表在《Tribology Letters》杂志上（Tribology Letters, 2018. https://doi.org/10.1007/s11249-018-1102-2）。
近年来，科学家采用在润滑剂中添加纳米颗粒的方法来减少摩擦磨损。其中就有低维碳材料，如石墨烯、石墨、碳纳米管和富勒烯C60等。而碳微球以其完美的球形结构和高硬度，可能在接触区充当类似滚珠球的效果将滑动转化为滚动，从而大幅减少摩擦，可作为水基润滑剂的理想添加剂。
作者合成出直径在130~250纳米的硬质碳微球，将其作为一种环境友好的润滑添加剂分散到水中。
电镜照片如Fig.1所示。通过FTIR分析表明热液法使得碳微球表面主要含氧功能团为 ̶ OH和C=O。XRD和Raman测试表明热处理后碳微球呈现石墨化。
该工作中的所有摩擦学实验和其后的磨痕三维形貌测试分别采用Bruker公司的UMT型摩擦磨损测试仪和GT-K型白光干涉显微镜进行测试和测量。
通过精准的力传感器，采用100，200，300mN三种不同正压力进行线性往复测试，发现添加有硬质碳微球后，摩擦系数f均可小于0.08（Fig. 5）。此外，改变水溶液中碳微球的质量百分比也会影响系统的摩擦系数。改变实验参数发现，当正压力为100mN时，选用直径200纳米的碳微球，采用0.1wt%的配比，润滑性能最佳（Fig. 6）。
随后，利用白光干涉技术对不同实验条件下的磨痕表面进行测量。最有趣的莫过于当改变碳微球尺寸时，发现添加有200纳米和250纳米的硬质碳微球的润滑液后，摩擦实验后在硅片上几乎没有磨痕。而相对的，采用单纯水液或掺有石墨的润滑液，摩擦实验后其磨损十分严重。此处，布鲁克白光干涉技术对磨痕形貌的观察极其直观有效，令人信服。此外，若采用自动拼接即可获得整个磨痕区域三维形貌，自带的专有软件可精确定量计算磨损体积，从而准确给出磨损率。
作者认为，最佳水基润滑效果的取得基本上是因为，硬质碳微球充分有效地分散在接触区支承住外载，它们完美的球形结构可将滑动摩擦转换为滚动摩擦。
笔者想到，二维材料的石墨烯层间剪切降低摩擦系数但相对承载能力较弱，富勒烯C60则可能尺寸太小无法像硬质碳微球在接触区起到支撑作用。不同体系、不同尺度下的摩擦行为可能需要考虑不同的添加剂才能真正实现减摩耐磨的效果。水基润滑添加剂硬质碳微球的作用机理可能可以拓展到其他材料，以进一步提高其润滑效率、耐候性等，为环境友好做出更多贡献。
最后，王老师评价, “我们实验室配置有布鲁克公司纳米部门的Dektak 探针式轮廓仪、UMT摩擦磨损测试仪和Contour GT白光干涉仪，与布鲁克公司有将近十年的合作经历，得到本地工程师的有力支持，使用布鲁克仪器取得了不少成果。”
本文相关链接：
论文链接： https://doi.org/10.1007/s11249-018-1102-2
Bruker UMT Tribolab摩擦磨损测试平台介绍：
https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/tribometers-and-mechanical-testers.html
Bruker Contour GT白光干涉显微镜介绍：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/3d-optical-microscopes.html
