​南洋理工大学Zhou Kun教授团队《先进功能材料》综述:超滑纳米材料_一点汽车网


​南洋理工大学Zhou Kun教授团队《先进功能材料》综述:超滑纳米材料



  
2019-05-21         高分子科学前沿        

摩擦磨损是造成机械部件能量损失和失效的重要原因。近年来,大量的研究表明,超滑(superlubricity)是克服因摩擦磨损导致能量损耗和损失的良好途径。近日,新加坡南洋理工大学Zhou Kun教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Nanomaterials in Superlubricity”的综述文章。文章系统阐释纳米材料在实现超滑状态的最新进展,介绍了功能纳米材料在调控超滑中的作用与其广阔的应用前景(图1);总结不同空间结构纳米材料的实验和仿真研究,探讨了不同维度纳米结构尺寸效应对固体和液体超滑性能的影响。


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图1.超滑为诸多现代科技发展面临的摩擦/润滑挑战提供了解决方案,涉及生物医学工程、水运输、原子力显微技术、微/纳机电系统、风能应用以及航空航天领域。


1.零维纳米材料


0D纳米材料的制备技术、形貌调控和尺寸效应已被广泛研究,并已应用于微/纳机电系统,如何减少粘着、摩擦和磨损是这些应用的一个关键问题。


在DLC薄膜表面添加含有纳米金刚石颗粒的石墨烯纳米片,可在宏观尺度上获得了稳定的超滑状态。这种宏观超滑特性源于滑动过程中形成的零维纳米卷结构,降低了滑动过程中的摩擦接触面积并促进DLC薄膜与纳米卷的非公度态接触。这种纳米结构由石墨烯纳米卷与其包裹的纳米金刚石组成(如图2a和b所示)。此外,在干摩擦滑动条件下,纳米金刚石对石墨烯纳卷的形成起关键作用,大量纳米卷的形成最终导致了稳定的超滑性能(摩擦系数~0.005,图2c)。


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图2.(a)分子动力学模拟石墨烯纳米卷的形成过程;(b)磨屑颗粒的透射电镜结果证实石墨烯纳米卷的形成;(c)稳定的超滑状态,摩擦系数约为0.005。(图片来源于Science 2015,348,1118)


此外,通过向聚α-烯烃润滑油添加氮化硼纳米颗粒能够显著提高其边界润滑性能。纳米颗粒在Si3N4/DLC接触界面承担纳米滚动轴承作用,同时添加剂的弱结合力降低了界面相互作用,进而改善界面的润滑性能。结果表明,添加1.0 wt%的氮化硼纳米颗粒可获得超滑特性。


2.一维纳米材料


碳纳米管(CNTs),其超滑性能得益于其固有的结构特征,使同心纳米管沿同心轴做相对运动。同时,结构中缺陷、尺寸效应等对CNTs超滑特性具有显著影响。以厘米级CNTs为代表,一维纳米材料在宏观超滑方面取得重大进展。


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图3.(a)对厘米级CNTs进行内壳拉出的示意图;(b-e)拉出至不同位置的TEM观察结果,比例尺为5nm。(图片来源于Nat.Nanotechnol.2013,8,912)


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图4.(a)拉出过程中不同外径的CNTs层间摩擦力(插图为CNTs摩擦力与表面能的理论值);(b)拉出过程CNTs的耗散能;(c)拉出过程CNTs内外层界面的范德华力示意图(图片来源于Nat.Nanotechnol.2013,8,912)


3.二维纳米材料


近年来,包括过渡金属硫化物和石墨烯在内的二维材料因其在超滑特性方面表现出巨大的潜力而受到学者的关注。一般来说,要在二维纳米材料中获得稳定的超滑特性,重点是实现持续的非公度态接触。


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图5.(a)石墨烯纳米片在石墨烯基底上的超滑示意图;(b)初始条件下,视域中存在三个石墨烯纳米片;(c)扫描隧道显微镜进行连续扫描后,出现第四个纳米片(d)并向左移动;(e)纳米片旋转至60°的位置停止。(图片来源于Nanoscale 2013,5,6736)


4.三维纳米材料


三维纳米材料在高载荷工况下的超滑特性具有巨大潜力。通过磁控溅射和流等离子体化学气相沉积技术制备出厚度约243nm的层状非晶碳/MoS2涂层,在10N的载荷下表现出极低的摩擦系数(0.004)和良好的耐磨性。


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图6.(a)具有分层结构的非晶碳/MoS2涂层,厚度约243nm;(b)涂层在10 N载荷条件下的摩擦系数约为0.004(插图为试验装配示意图);(c)磨损表面的横截面轮廓(插图为对应的三维形貌)。(图片来源于Appl.Surf.Sci.2017,413,381)


纳米材料在超滑领域取得了显著进展,同时也带来新的机遇和挑战。文章建议了若干重点研究方向,包括:晶体形变生成缺陷易引发公度态接触,最终导致超滑失效问题;非晶态纳米材料具有更高的刚度以及独特的变形机制,研究非晶态纳米材料的超滑行为能够提供更多实现超滑的途径;在液体润滑条件下,通过平衡实际表面粗糙度与流体粘度来调控液相超滑成为工业级超滑应用的主要技术难点。文章最后总结,纳米材料在超滑设计和实际应用中具有巨大的潜力,其超滑特性已成为先进功能纳米材料在节能应用中最具有前景的性能之一。


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