郑泉水院士团队首次实现百公里无磨损滑动
来源：清力技术 2021-08-27
清华新闻网8月27日电 近日，清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水院士团队在结构超滑技术的研究领域取得重要进展。团队构建了由石墨和类金刚石薄膜组成的结构超滑接触体系，在大气环境和2.5 m/s的相对滑动速度下实现了长达108 km距离的无磨损滑动，为发展基于结构超滑技术的器件奠定了基础。结构超滑（Structural Superlubricity）指的是两个完全接触的固体表面在滑动过程中，保持几乎为零的摩擦力和零磨损的状态。
持久和耐用的产品是长久以来人类追求的目标之一。然而，无处不在的磨损大大限制了产品的寿命。无限寿命的运动器件目前还只停留在科学幻想中。在当代工业社会里，约80%的器件失效是由磨损引起，这带来了巨额经济损失、资源浪费、环境污染。在微米尺度，由于表面效应十分显著，因此相比宏观器件，微米器件的磨损现象更加严重。传统的润滑方法（如使用润滑油）在微米器件中往往难以使用，这使得很多精妙设计的器件难以走进现实。例如，1988年加州伯克利大学研发的历史上第一个微米马达，启动后很快就因为磨损而失效了。
2012年，郑泉水团队第一次在大气环境中，以m/s级的滑动速度实现了微米尺度结构超滑，为上述瓶颈问题的解决带来了曙光。2019年，在深圳市政府和深圳市坪山区政府支持下，郑泉水领衔建立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所，大大加速了结构超滑技术的研究和研发。
在本研究中，研究者将微米尺度石墨片粘接在了探针前端，通过纳米操作手操作石墨片与一块盘片上的原子级光滑的类金刚石薄膜接触。石墨片位置固定，盘片的转动使得石墨片与类金刚石薄膜间发生相对滑动。光学显微镜可以实时观测石墨片在盘片上的滑动状况。
研究者将石墨片的滑动速度控制在2.5 m/s，对石墨片进行了长达12.5小时共计108 km的滑动实验。滑动实验结束后，研究者对石墨片滑动面上的中心区域和四周进行了拉曼光谱表征，没有探测到D峰。这意味着在108 km的超长距离滑动后，石墨的滑动面依然没有磨损。研究者还对盘片上的滑道用原子力显微镜进行了形貌表征，也没有发现任何磨损痕迹。
研究者进一步研究了石墨片在类金刚石薄膜上的摩擦力随正压力变化的关系。观察到它们之间的摩擦应力仅为0.02 MPa左右 (正压力为40微牛)，且微分摩擦系数约为0.005。当正压力大于30微牛后，摩擦系数也为千分之一量级。石墨片可以看成由许多层石墨烯堆叠而成。石墨烯是范德华二维材料，其与类金刚石之间的相互作用力为较弱的范德华力，这可能是它们之间的摩擦力极低的原因。为了验证这一点，研究者还进一步测量了石墨片与其它六种材料（硅、蓝宝石、云母、氧化硅、氧化铝、氧化铪，它们与石墨片之间均为范德华作用）间的摩擦系数，结果显示摩擦系数均在千分之一量级，处于超滑状态。通过理论计算，研究者还发现石墨片与这些材料间的接触状态是全接触。这种全接触的状态避免了应力集中、边缘效应等可能破坏超滑状态的因素。
综合各项证据，研究者认为，界面的范德华相互作用、表面的原子级光滑、石墨烯面内极高的强度、以及全接触状态，共同导致了石墨片与类金刚石薄膜间极其优异的耐磨损性能。
该研究以“通过微米尺度石墨/类金刚石薄膜超滑异质结实现100km的无磨损滑动”（100 km wear-free sliding achieved by microscale superlubric graphite/DLC heterojunctions under ambient conditions）为题于2021年6月24日发表于《国家科学评论》（National Science Review）。深圳清华大学研究院和清华大学航天航空学院联合培养博士后彭德利为论文第一作者，机械工程系马明副教授和航天航空学院郑泉水院士为论文共同通讯作者。论文合作者还包括郑泉水院士团队的王进博士、姜海洋博士、赵叔吉博士、博士生吴章辉，以及田凯文博士。
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（a）实验装置照片；（b）实验装置示意图；（c）石墨片与基底接触的表面在滑动实验后的光学显微镜图像；（d）拉曼光谱表征结果；（e）类金刚石薄膜上滑道所在区域形貌的原子力显微镜表征结果。
持久和耐用的产品是长久以来人类追求的目标之一。然而，无处不在的磨损大大限制了产品的寿命。无限寿命的运动器件目前还只停留在科学幻想中。在当代工业社会里，约80%的器件失效是由磨损引起，这带来了巨额经济损失、资源浪费、环境污染。在微米尺度，由于表面效应十分显著，因此相比宏观器件，微米器件的磨损现象更加严重。传统的润滑方法（如使用润滑油）在微米器件中往往难以使用，这使得很多精妙设计的器件难以走进现实。例如，1988年加州伯克利大学研发的历史上第一个微米马达，启动后很快就因为磨损而失效了。
2012年，郑泉水团队第一次在大气环境中，以m/s级的滑动速度实现了微米尺度结构超滑，为上述瓶颈问题的解决带来了曙光。2019年，在深圳市政府和深圳市坪山区政府支持下，郑泉水领衔建立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所，大大加速了结构超滑技术的研究和研发。
在本研究中，研究者将微米尺度石墨片粘接在了探针前端，通过纳米操作手操作石墨片与一块盘片上的原子级光滑的类金刚石薄膜接触。石墨片位置固定，盘片的转动使得石墨片与类金刚石薄膜间发生相对滑动。光学显微镜可以实时观测石墨片在盘片上的滑动状况。
研究者将石墨片的滑动速度控制在2.5 m/s，对石墨片进行了长达12.5小时共计108 km的滑动实验。滑动实验结束后，研究者对石墨片滑动面上的中心区域和四周进行了拉曼光谱表征，没有探测到D峰。这意味着在108 km的超长距离滑动后，石墨的滑动面依然没有磨损。研究者还对盘片上的滑道用原子力显微镜进行了形貌表征，也没有发现任何磨损痕迹。
研究者进一步研究了石墨片在类金刚石薄膜上的摩擦力随正压力变化的关系。观察到它们之间的摩擦应力仅为0.02 MPa左右 (正压力为40微牛)，且微分摩擦系数约为0.005。当正压力大于30微牛后，摩擦系数也为千分之一量级。石墨片可以看成由许多层石墨烯堆叠而成。石墨烯是范德华二维材料，其与类金刚石之间的相互作用力为较弱的范德华力，这可能是它们之间的摩擦力极低的原因。为了验证这一点，研究者还进一步测量了石墨片与其它六种材料（硅、蓝宝石、云母、氧化硅、氧化铝、氧化铪，它们与石墨片之间均为范德华作用）间的摩擦系数，结果显示摩擦系数均在千分之一量级，处于超滑状态。通过理论计算，研究者还发现石墨片与这些材料间的接触状态是全接触。这种全接触的状态避免了应力集中、边缘效应等可能破坏超滑状态的因素。
综合各项证据，研究者认为，界面的范德华相互作用、表面的原子级光滑、石墨烯面内极高的强度、以及全接触状态，共同导致了石墨片与类金刚石薄膜间极其优异的耐磨损性能。
该研究以“通过微米尺度石墨/类金刚石薄膜超滑异质结实现100km的无磨损滑动”（100 km wear-free sliding achieved by microscale superlubric graphite/DLC heterojunctions under ambient conditions）为题于2021年6月24日发表于《国家科学评论》（National Science Review）。深圳清华大学研究院和清华大学航天航空学院联合培养博士后彭德利为论文第一作者，机械工程系马明副教授和航天航空学院郑泉水院士为论文共同通讯作者。论文合作者还包括郑泉水院士团队的王进博士、姜海洋博士、赵叔吉博士、博士生吴章辉，以及田凯文博士。
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编辑：李华山
审核：吕婷
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