近日，伟德bv1946官网鄭偉濤、張侃教授團隊在Acta Materialia雜志上發表了題為“Macroscale Ultradurable Superlubricity on Passivated Transition-Metal Diborides”的文章。該工作以經典的硬質材料體系過渡族金屬二硼化物薄膜為研究對象，通過構建固—液複合體系，在接觸界面處通過摩擦催化形成有機自組裝鈍化層，實現了公裡級的超滑及超耐磨特性。
TMB2耦合NPGD獲得公裡級超滑及耐磨特性
在機械系統中，運動部件之間不可避免地存在摩擦和磨損現象。嚴重的摩擦磨損往往會造成重大的能源和經濟損失，甚至嚴重的惡性機械事故。超滑技術作為解決上述摩擦磨損問題的一個重要手段得到了廣泛關注。理論上，超滑指的是兩個表面之間的摩擦力接近為零的潤滑狀态。在實際檢測過程中，通常将摩擦系數低至0.001量級或更低的潤滑狀态定義為超滑。它最先被發現在非公度接觸的原子平面之間，後來拓展到具有弱剪切特性的材料中，包括二維層狀材料（如二硫化钼、石墨、類金剛石等）和液體潤滑材料（如油基潤滑、水合離子潤滑、聚合物分子刷等）。
由于超滑對材料接觸表面要求嚴格，材料磨損導緻的接觸界面狀态改變均會破壞超滑狀态。因此，在實現和保持超滑特性時，期望最大限度地減少機械剝離以及化學消耗引發的固體材料磨損。超硬/高硬的陶瓷材料因具有優異的力學性能，充分滿足了潤滑體系對高耐磨性的需求。然而，這類材料的本征高剪切強度使其往往不具備潤滑能力，制約了其在摩擦學領域的應用。如何将潤滑與高硬度結合，突破低摩擦（弱剪切）與耐磨損（高強度）難以兩全的瓶頸，成為實現長時長距穩定超滑狀态的核心挑戰。
基于上述挑戰，研究團隊将研究體系由傳統的弱剪切潤滑材料體系轉向超硬/高硬耐磨材料，嘗試構建與服役環境相耦合的固—液複合潤滑體系。由于過渡族金屬的高電子密度帶來了高抗壓縮能力，而硼的強共價鍵網絡提供了高抗變形能力，綜合所長形成的過渡族金屬二硼化物（TMB2）具有優異的力學強度，而成為一類經典的超硬/高硬薄膜材料，這也是實現高耐磨性指标的關鍵特性。為了進一步獲得超滑特性，研究團隊在TMB2薄膜的服役環境中引入不飽和植物油，發現在摩擦負載驅動下，硼化物與不飽和植物油之間發生摩擦催化，促進接觸界面處形成有機自組裝鈍化層，進而在邊界潤滑與彈流潤滑的共同作用下成功實現了公裡級的超滑（摩擦系數低至0.002）和耐磨（磨損率低至10−19m3/N·m）特性。這一工作為超滑家族引入了過渡族金屬二硼化物這一全新體系，并且結合其高強度高硬度的特性實現了長時耐用的宏觀超滑，該策略在具有挑戰性的大規模工作條件（乃至工業尺度）下具有廣闊的應用前景。
伟德bv1946官网博士研究生潘靖婕為本文第一作者。本文通訊作者為伟德bv1946官网張侃教授、文懋教授和美國内華達大學拉斯維加斯分校博士後劉暢博士，鄭偉濤教授和内華達大學陳長風教授對研究工作給予了大力➿⚽✨➿。該工作得到了國家優秀青年科學基金，中國博士後科學基金，吉林省自然科學基金資助。
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“Macroscale Ultradurable superlubricity on Passivated Transition-Metal Diborides”,Acta Materialia, 263,119439(2023)
論文全文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119439
