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兰州化物所超滑研究取得新进展
2018-06-26 | 【】【打印】【关闭】                

  摩擦是一种常见的物理现象,它广泛地发生在接触并发生相对运动的表面之间。据统计,发达国家每年因摩擦磨损导致机械部件失效而造成的损失达GDP的5%左右,同时对能量的消耗约占一次利用能量的1/3至1/2。因此,对润滑乃至超润滑的追求是摩擦学研究的重要方向,而对“超润滑”概念的科学认识是实现“超润滑”的关键。目前,学术界主要通过结构润滑和连续滑动两种途径来实现超低的摩擦状态,二者分别在苛刻的非公度滑动表面和极小载荷条件下实现,习惯上被冠名“超润滑”。然而,这种由界面几何效应或机械效应引起的“超润滑”由于无法与量子力学效应引起的“超导”或“超流”比拟而饱受诟病。所以,如何从表面间原子级的相互作用出发,通过对摩擦学基础规律的深入认识,探知潜在的超滑是值得思考的关键科学问题。

  然而,我们对摩擦的认识并不充分。目前,学术界公认对摩擦的认识尚处于经验水平,尤其对摩擦规律的研究存在严重不足,导致对给定的滑动界面,无法准确预测摩擦力。生活体验告诉我们,载荷是影响摩擦的重要参数,摩擦力随载荷的增加而增加;而且,从古代先贤到当代学者的大量实验和理论论证指出了与我们生活直觉吻合的结论,即阿芒顿定律。因此,一般认为,无论对于宏观还是微观摩擦,摩擦力总是随着载荷的增加而增加。然而,一些反常的物理现象,如小载荷条件下的负摩擦系数行为、法向压力诱发的固体界面滑动等反常行为,迫使我们对基于直觉经验的阿芒顿定律的普适性进行反思。

  最近,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室低维材料摩擦学课题组联合中科院宁波材料所和清华大学等单位,在压力诱导摩擦塌缩实现超滑方面取得新进展。他们从材料表面的基本相互作用入手,通过第一性原理计算研究了多种微观滑动体系摩擦力随载荷的演化行为。结果表明:在界面间高接触压力的近接触区域和低压力的远接触区域,界面摩擦均会发生随着法向压力的增加而减小的反常行为,直至在临界状态下出现极低摩擦的超滑。这归因于滑移路径上滑动能垒的平坦化,源于压力诱导滑动势垒的褶皱-平坦-反褶皱转变。通过对电荷密度的分析发现,界面间的静电排斥和色散吸引作用分别是在相应区域产生反常超滑行为的主要原因。因此,这种界面量子力学效应引起的零势垒超滑拓展了我们对“超润滑”概念的认识,丰富了超润滑的现有理论体系。这种普适性行为的发现为实现材料界面本征超滑提供了新的途径。

  该研究得到了国家重点研发计划(No. 2017YFB0702303)、中科院前沿科学研究计划(No. QYZDY-SSW-JSC009)和国家自然科学基金(No.51775535和 No.11772169)的支持。相关系列成果分别发表在摩擦学主流期刊(Tribology letters, 2018,6,621)和物理化学权威杂志(Journal of Physical Chemistry Letters, 2018, 9, 2554),以及作为内封面论文发表于Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, 19, 11026(被选为2017年“HOT article”)。

压力诱导摩擦塌缩实现超滑示意图

来源:固体润滑国家重点实验室
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