第一作者：易双

通讯作者：李津津

通讯单位：清华大学

研究背景

摩擦磨损在机械表面造成巨大的能量损失，将带来严重的材料损失，从而造成工件使用寿命缩短，机械安全事故增加等问题。目前，许多研究人员使用多种方法来减少摩擦和磨损，其中包括固体和液体润滑。基于上述研究背景，研究人员提出超滑技术（超滑是指滑动摩擦系数（COF）小于0.01的一种润滑状态），它可以从纳米尺度到宏观尺度进一步改善润滑性能，从而提供超低摩擦和磨损以减少能量损失。在以前的研究中，固体超滑已经从理论模型到宏观尺度实现。例如，存在用于实现超润滑性的碳纳米结构，其包括碳纳米管、石墨烯、纳米金刚石、洋葱状碳、非晶碳和类金刚石碳（DLC）。由于类金刚石膜的优异性能，对类金刚石膜超滑的研究主要集中在其潜在的工程应用上。这是由于DLC通常只能在干燥的环境中实现超滑，例如：氮气、氩气和氢气环境。在宏观条件下很难实现，从而制了DLC在工程中的应用。

成果简介

近日，重庆大学材料科学与工程学院易双助理教授（第一作者）、张育新教授，饶劲松副研究员，清华大学机械工程系李津津副教授(通讯作者)等学者报道了一种简单的表面改性方法，通过将n-癸基三乙氧基硅烷（DTEOS）分子接枝到少层黑磷纳米片制备亲油性的黑磷纳米片（DTEOS-BP），并将其用作聚α-烯烃油（PAO）中的纳米润滑添加剂。得到的润滑液可以在含有类金刚石薄膜的轴承钢上实现稳定的超滑状态。通过探讨DTEOS-BP润滑添加剂的浓度、载荷和滑动速度范围，实现摩擦系数稳定在0.006。揭示了亲油性黑磷润滑添加剂的超滑规律和作用机理。相关论文Alkyl-functionalized Black Phosphorus Nanosheets Triggers Macroscale Superlubricity on Diamond-like Carbon Film已在线发表于工程技术与化学化工领域最有影响力的三大顶级刊物之一 Chemical Engineering Journal(中科院一区，影响因子:16.744)。

要点1: 一种简单的亲油性黑磷纳米片改性方法

首先，我们使用研磨罐对较大尺寸BP薄片研磨成相对较小的（约200 μm）BP薄片。然后，在研磨罐中添加DTEOS薄片和小尺寸BP薄片以形成混合物。将混合物放入球磨机中球磨8小时得到的混合物进一步分散在纯水中超声处理。然后，将完全混合的溶液转移到反应釜中，以获得DTEOS-BP纳米片（图1）。最后，将所得DTEOS-BP纳米片作为润滑添加剂引入PAO中，DTEOS-BP的浓度范围为0.05至0.5 wt.%。

图1. DTEOS-BP纳米片和DTEOS-BP混合物作为PAO润滑添加剂的合成制备示意图。

要点2: 通过使用DETOS-BP-PAO润滑剂实现超低摩擦系数

为了评估DTEOS-BP作为PAO润滑添加剂的宏观润滑性能，我们在法向载荷为3 N、滑动速度为0.098 m/s的情况下，使用轴承钢球和沉积在轴承钢上的类金刚石薄膜进行了摩擦实验（图2），并与原始PAO润滑油进行了比较。我们可以观察到COF在最初的100秒内大幅降低，然后在这种新型润滑剂（DTEOS-BP-PAO）的润滑下进入超润滑状态（COF<0.01）。此后，COF始终保持在0.01以下，1000秒后逐渐降至0.006，最终保持在0.0043至0.0062的范围内。这种超润滑状态的稳定性可以维持至少2.9小时，相当于1023.12米的滑动距离。我们还将对比了不同滑动速度，法向载荷以及浓度下的摩擦性能情况。结果表明当滑动速度从0.084 m/s增加到0.126 m/s，浓度范围在0.2～0.4 wt.%，以及法向载荷在1到3 N下可以保持超滑状态（COF从0.006到0.009略有变化）这表明存在一个最佳滑动速度、浓度和法向载荷范围，在该范围内，通过DTEOS-BP-PAO润滑可以实现稳健的超滑状态。

图2.润滑性能表征：（a）在3 N的法向载荷和0.098 m/s的滑动速度下，PAO和DTEOS-BP-PAO润滑下COF的变化曲线。插入图像是COF从1200到1750 s的放大视图。（b）在3 N的法向载荷下的超滑期间，滑动速度对COF的影响，此时DTEOS-BP纳米片的浓度为0.3 wt.%。（c）在法向载荷为3 N、滑动速度为0.098 m/s的情况下，通过DTEOS-BP-PAO和不同浓度的DTEOS-BP纳米片进行润滑的超滑期间的COF变化曲线。（d）在不同法向载荷、浓度为0.3 wt%和滑动速度为0.098 m/s的情况下，超滑期间的COF变化曲线。

要点3: 亲油性纳米润滑添加剂为超滑开辟了一条新的道路

该研究通过制备亲油性黑磷纳米片作为润滑添加剂，并在基础油中引入DTEOS-BP纳米片，形成复合摩擦膜，该摩擦膜通过固液耦合协同作用下提高润滑性能（摩擦系数稳定在0.006，磨损下降17.56%，接触压力提高90.16%）。这是因为DTEOS-BP纳米片进入接触区后，吸附的DTEOS-BP纳米片可以为边界润滑提供较低的剪切强度，剪切面从钢/硅DLC转移到DTEOS-BP纳米片的层间滑动。同时，DTEOS-BP纳米片与摩擦表面之间发生摩擦化学反应，导致在摩擦表面上形成包含磷氧化物、硅氧化物和非晶碳的复合摩擦膜（图3）。磷氧化物和硅氧化物可以为边界润滑提供极低的剪切强度。此外，摩擦膜中吸附的磷氧化物、硅氧化物和非晶碳可以降低钢和硅DLC之间的直接接触比率，以抑制表面磨损，同时减少摩擦能量耗散，从而降低摩擦。

图3. 在室温下，滑动速度为0.098 m/s，法向载荷为3 N的DTEOS-BP-PAO润滑后，轴承钢表面摩擦膜的横截面透射电镜图。（a）轴承钢表面形成的摩擦膜的HRTEM图像。（b）在钢表面形成的摩擦膜的HRTEM放大图像.（c-h）钢表面（A）区域中P、Si、c和O的元素沿横截面分布。

参考文献

Yi, S., Li, J., Rao, J., Ma, X., & Zhang, Y. (2022). Alkyl-functionalized Black Phosphorus Nanosheets Triggers Macroscale Superlubricity on Diamond-like Carbon Film. Chemical Engineering Journal, 137764.

DOI: 10.1016/j.cej.2022.137764

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137764

作者简介

易双，重庆大学材料科学与工程学院助理教授，清华大学首批水木学者计划获得者，作为项目负责人主持国家及省部级项目3项，担任Nano Materials Science等期刊青年编委，研究领域包含切削加工润滑作用机理，二维材料合成制备，液体分子与固体涂层设计，固液耦合作用机制等。

李津津，清华大学机械工程系副教授。研究领域包括机械表面润滑理论、纳米添加剂和超滑技术的研究。作为负责人先后主持了科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金面上、青年基金等10余项科研项目。担任《Friction》和《Tribology and Lubricants》的期刊编委，入选了中国科协托举人才工程，荣获上银优秀博士论文奖、温诗铸枫叶奖-青年学者等奖项。

张育新，重庆大学材料科学与工程学院教授/博导，研究领域包含硅藻土基复合材料研究的研制工作。承担并参与国家自然科学基金等科研项目10项，荣获 2016 年重庆市科技创新领军人才，重庆市自然科学三等奖，重庆市科技进步一等奖，重庆市创新争先奖，2020，2021年入围科睿唯安(Clarivate Analytics)全球高被引科学家。

课题组简介

重庆大学硅藻新材料研究中心

重庆大学硅藻新材料研究中心以硅藻新材料为核心，致力于纳米材料的制备与应用，自组装纳米结构，水处理，防腐防污，润滑耐磨以及超级电容器电极材料的开发。研究方向包括:新能源与特殊功能材料、环境材料、吸波材料、低维与纳米材料等。课题组承担/完成过十余项国家级、省部级和企业委托项目，获省部级科技成果一等奖1项、二等奖2项及国家级、省部级教学成果奖多项。

清华大学摩擦学国家重点实验超滑团队

清华大学摩擦学国家重点实验超滑组长期以来致力于液体润滑技术研究，研究方向主要包括: 机械表面润滑理论、纳米添加剂和超滑技术等。课题组承担973，国家自然科学基金、重点研发计划等科研项目，荣获国家技术发明三等奖，国家自然科学二等奖，国家科技进步二等奖，省部级科技奖，国际奖和中国摩擦学最高成就奖等奖项。

团队主页：http://sklt.tsinghua.edu.cn/