近日，吉林大学材料科学与工程学院郑伟涛、张侃教授团队在Acta Materialia杂志上发表了题为“Macroscale Ultradurable Superlubricity on Passivated Transition-Metal Diborides”的文章。该工作以经典的硬质材料体系过渡族金属二硼化物薄膜为研究对象，通过构建固—液复合体系，在接触界面处通过摩擦催化形成有机自组装钝化层，实现了公里级的超滑及超耐磨特性。
TMB2耦合NPGD获得公里级超滑及耐磨特性
在机械系统中，运动部件之间不可避免地存在摩擦和磨损现象。严重的摩擦磨损往往会造成重大的能源和经济损失，甚至严重的恶性机械事故。超滑技术作为解决上述摩擦磨损问题的一个重要手段得到了广泛关注。理论上，超滑指的是两个表面之间的摩擦力接近为零的润滑状态。在实际检测过程中，通常将摩擦系数低至0.001量级或更低的润滑状态定义为超滑。它最先被发现在非公度接触的原子平面之间，后来拓展到具有弱剪切特性的材料中，包括二维层状材料（如二硫化钼、石墨、类金刚石等）和液体润滑材料（如油基润滑、水合离子润滑、聚合物分子刷等）。
由于超滑对材料接触表面要求严格，材料磨损导致的接触界面状态改变均会破坏超滑状态。因此，在实现和保持超滑特性时，期望最大限度地减少机械剥离以及化学消耗引发的固体材料磨损。超硬/高硬的陶瓷材料因具有优异的力学性能，充分满足了润滑体系对高耐磨性的需求。然而，这类材料的本征高剪切强度使其往往不具备润滑能力，制约了其在摩擦学领域的应用。如何将润滑与高硬度结合，突破低摩擦（弱剪切）与耐磨损（高强度）难以两全的瓶颈，成为实现长时长距稳定超滑状态的核心挑战。
基于上述挑战，研究团队将研究体系由传统的弱剪切润滑材料体系转向超硬/高硬耐磨材料，尝试构建与服役环境相耦合的固—液复合润滑体系。由于过渡族金属的高电子密度带来了高抗压缩能力，而硼的强共价键网络提供了高抗变形能力，综合所长形成的过渡族金属二硼化物（TMB2）具有优异的力学强度，而成为一类经典的超硬/高硬薄膜材料，这也是实现高耐磨性指标的关键特性。为了进一步获得超滑特性，研究团队在TMB2薄膜的服役环境中引入不饱和植物油，发现在摩擦负载驱动下，硼化物与不饱和植物油之间发生摩擦催化，促进接触界面处形成有机自组装钝化层，进而在边界润滑与弹流润滑的共同作用下成功实现了公里级的超滑（摩擦系数低至0.002）和耐磨（磨损率低至10−19m3/N·m）特性。这一工作为超滑家族引入了过渡族金属二硼化物这一全新体系，并且结合其高强度高硬度的特性实现了长时耐用的宏观超滑，该策略在具有挑战性的大规模工作条件（乃至工业尺度）下具有广阔的应用前景。
吉林大学材料科学与工程学院博士研究生潘靖婕为本文第一作者。本文通讯作者为吉林大学材料科学与工程学院张侃教授、文懋教授和美国内华达大学拉斯维加斯分校博士后刘畅博士，郑伟涛教授和内华达大学陈长风教授对研究工作给予了大力支持。该工作得到了国家优秀青年科学基金，中国博士后科学基金，吉林省自然科学基金资助。
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“Macroscale Ultradurable superlubricity on Passivated Transition-Metal Diborides”,Acta Materialia, 263,119439(2023)
论文全文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119439
