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【中科院之声】摩擦!摩擦!在陶瓷表面光滑的摩擦

科学传播

【中科院之声】摩擦!摩擦!在陶瓷表面光滑的摩擦

      两个相互接触的物体沿着接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时,接触面之间就会发生“摩擦”。摩擦作为伴随运动的一种物理现象,如一个“精灵”自人类诞生起就始终伴随着人类,没有这个精灵人类将“寸步难行”。但很多情况人类又不得不与这个“精灵”抗衡,因为“精灵”会变成“摩擦怪”。“摩擦怪”会导致物体接触表面的磨损,严重的磨损会使得正常工作的运动机构失效;而且,摩擦会消耗过多的能源,带来巨大的经济损失。因此,为了打败这个“摩擦怪”,人们想了很多办法降低或削弱“摩擦怪”的破坏力。其中最有效的方法就是给“摩擦怪”喂一种药,这种“药”就是我们常说的润滑剂。这种“药物”的形态与人类吃的药物相似,也分为液体和固体,液体药物包括各种润滑油脂,而固体药物有石墨、二硫化钼等等。这些“药物”可以大大降低“摩擦怪”的威力,为人类节约很多资源和能源。但是在一些特殊情况下,即使给“摩擦怪”喂了“药物”,其所起的作用也不是十分明显或有效。例如陶瓷材料在摩擦时,会出现很多磨碎的碎屑,这些碎屑会让各类的润滑剂尤其是固体润滑剂起不到很好的作用。因此,如何有效地减轻陶瓷材料的磨损,让陶瓷“摩擦怪”不能肆意地发挥破坏威力,成为了人类在科学技术领域的一个难题。 

  中国科学院兰州化学物理研究所周惠娣研究员团队长期致力于热喷涂陶瓷基涂层工艺和性能的研究。最近,该团队利用热喷涂陶瓷涂层本身具有的内部微观孔隙或裂纹,通过水热反应法,在这些孔隙和裂纹内部原位生长出具有润滑特性的纳米片状 MoS2 。该方法实现了润滑剂在摩擦表面的有效引入,并对陶瓷涂层摩擦表面原有的缺陷进行了修复,最终实现了陶瓷涂层与金属对偶之间的有效润滑,显著降低了涂层对金属对偶的磨损。  

  在此研究基础上,为了获得具有超长寿命、低摩擦系数和磨损性能更突出的陶瓷基复合涂层材料,受到动物骨松质结构和关节软骨营养机制的启发,研究人员把目光转向了仿生学,希望将天然生物系统中优异的摩擦学特性进行移植和模仿。研究人员利用热喷涂工艺制备出了一种具有优异摩擦学性能的仿生智能涂层,即在喷涂后的陶瓷涂层表面再进行激光织构化处理得到规则排列的孔,继而在这些孔中引入高性能润滑材料。最终,获得的陶瓷涂层在较大范围内的摩擦速率和载荷变化下,可保持低的摩擦系数,在高载荷下(1.4 GPa)的摩擦系数可达<0.065,并且具有优异的摩擦寿命(>1×106 转)。在超长时间的摩擦测试过程中,涂层可实现类似生物组织的“自修复/自适应”功能,展现出近零磨损的特性,而且对对偶材料的损伤极其轻微,这种优异的摩擦学性能得益于该陶瓷复合涂层以摩擦热和压力为驱动力和修复力,在摩擦表面形成了可不断修复的类“软骨层”润滑转移膜。 

  上述研究思想和成果不但适用于陶瓷涂层材料,也适用于陶瓷整体材料,为未来在该领域的研究打开了一扇窗。以上相关结果近期相继发表在 Ceramics International, 2017, 43(9):6976-6986,Materials Letters 193 (2017)199–202和ACS Applied Materials &Interfaces(DOI:10.1021/acsami. 7b03986)。 

    上述研究工作得到了中科院“青年创新促进会(2014378)”和“西部之光”西部青年学者 A 类人才培养项目的长期支持。

  图1内孔原位生长固体润滑相的复合涂层的摩擦学性能

图2 具有优异摩擦学性能的仿生智能涂层

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