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 摩擦磨損是造成機(jī)械部件能量損失和失效的重要原因。近年來，大量的研究表明，超滑（superlubricity）是克服因摩擦磨損導(dǎo)致能量損耗和損失的良好途徑。近日，新加坡南洋理工大學(xué)Zhou Kun教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Nanomaterials in Superlubricity”的綜述文章。文章系統(tǒng)闡釋納米材料在實(shí)現(xiàn)超滑狀態(tài)的最新進(jìn)展，介紹了功能納米材料在調(diào)控超滑中的作用與其廣闊的應(yīng)用前景（圖1）；總結(jié)不同空間結(jié)構(gòu)納米材料的實(shí)驗(yàn)和仿真研究，探討了不同維度納米結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)對(duì)固體和液體超滑性能的影響。

圖1.超滑為諸多現(xiàn)代科技發(fā)展面臨的摩擦/潤(rùn)滑挑戰(zhàn)提供了解決方案，涉及生物醫(yī)學(xué)工程、水運(yùn)輸、原子力顯微技術(shù)、微/納機(jī)電系統(tǒng)、風(fēng)能應(yīng)用以及航空航天領(lǐng)域。

1. 零維納米材料

0D納米材料的制備技術(shù)、形貌調(diào)控和尺寸效應(yīng)已被廣泛研究，并已應(yīng)用于微/納機(jī)電系統(tǒng)，如何減少粘著、摩擦和磨損是這些應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題。

在DLC薄膜表面添加含有納米金剛石顆粒的石墨烯納米片，可在宏觀尺度上獲得了穩(wěn)定的超滑狀態(tài)。這種宏觀超滑特性源于滑動(dòng)過程中形成的零維納米卷結(jié)構(gòu)，降低了滑動(dòng)過程中的摩擦接觸面積并促進(jìn)DLC薄膜與納米卷的非公度態(tài)接觸。這種納米結(jié)構(gòu)由石墨烯納米卷與其包裹的納米金剛石組成（如圖2a和b所示）。此外，在干摩擦滑動(dòng)條件下，納米金剛石對(duì)石墨烯納卷的形成起關(guān)鍵作用，大量納米卷的形成最終導(dǎo)致了穩(wěn)定的超滑性能（摩擦系數(shù)~0.005，圖2c）。

圖2.（a）分子動(dòng)力學(xué)模擬石墨烯納米卷的形成過程；（b）磨屑顆粒的透射電鏡結(jié)果證實(shí)石墨烯納米卷的形成；（c）穩(wěn)定的超滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)約為0.005。（圖片來源于Science 2015, 348, 1118）

此外，通過向聚α-烯烴潤(rùn)滑油添加氮化硼納米顆粒能夠顯著提高其邊界潤(rùn)滑性能。納米顆粒在Si3N4/DLC接觸界面承擔(dān)納米滾動(dòng)軸承作用，同時(shí)添加劑的弱結(jié)合力降低了界面相互作用，進(jìn)而改善界面的潤(rùn)滑性能。結(jié)果表明，添加1.0 wt%的氮化硼納米顆粒可獲得超滑特性。

2. 一維納米材料

碳納米管（CNTs），其超滑性能得益于其固有的結(jié)構(gòu)特征，使同心納米管沿同心軸做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)中缺陷、尺寸效應(yīng)等對(duì)CNTs超滑特性具有顯著影響。以厘米級(jí)CNTs為代表，一維納米材料在宏觀超滑方面取得重大進(jìn)展。

圖3.（a）對(duì)厘米級(jí)CNTs進(jìn)行內(nèi)殼拉出的示意圖;（b-e）拉出至不同位置的TEM觀察結(jié)果，比例尺為5nm。（圖片來源于Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 912）

圖4. （a）拉出過程中不同外徑的CNTs層間摩擦力（插圖為CNTs摩擦力與表面能的理論值）；（b）拉出過程CNTs的耗散能；（c）拉出過程CNTs內(nèi)外層界面的范德華力示意圖（圖片來源于Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 912）

3. 二維納米材料

近年來，包括過渡金屬硫化物和石墨烯在內(nèi)的二維材料因其在超滑特性方面表現(xiàn)出巨大的潛力而受到學(xué)者的關(guān)注。一般來說，要在二維納米材料中獲得穩(wěn)定的超滑特性，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)持續(xù)的非公度態(tài)接觸。

圖5.（a）石墨烯納米片在石墨烯基底上的超滑示意圖；（b）初始條件下，視域中存在三個(gè)石墨烯納米片；（c）掃描隧道顯微鏡進(jìn)行連續(xù)掃描后，出現(xiàn)第四個(gè)納米片（d）并向左移動(dòng)；（e）納米片旋轉(zhuǎn)至60°的位置停止。（圖片來源于Nanoscale 2013, 5, 6736）

4. 三維納米材料

三維納米材料在高載荷工況下的超滑特性具有巨大潛力。通過磁控濺射和流等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備出厚度約243nm的層狀非晶碳/MoS2涂層，在10N的載荷下表現(xiàn)出極低的摩擦系數(shù)（0.004）和良好的耐磨性。

圖6.（a）具有分層結(jié)構(gòu)的非晶碳/MoS2涂層，厚度約243nm；（b）涂層在10 N載荷條件下的摩擦系數(shù)約為0.004（插圖為試驗(yàn)裝配示意圖）；（c）磨損表面的橫截面輪廓（插圖為對(duì)應(yīng)的三維形貌）。（圖片來源于Appl. Surf. Sci. 2017, 413, 381）

納米材料在超滑領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，同時(shí)也帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。文章建議了若干重點(diǎn)研究方向，包括：晶體形變生成缺陷易引發(fā)公度態(tài)接觸，最終導(dǎo)致超滑失效問題；非晶態(tài)納米材料具有更高的剛度以及獨(dú)特的變形機(jī)制，研究非晶態(tài)納米材料的超滑行為能夠提供更多實(shí)現(xiàn)超滑的途徑；在液體潤(rùn)滑條件下，通過平衡實(shí)際表面粗糙度與流體粘度來調(diào)控液相超滑成為工業(yè)級(jí)超滑應(yīng)用的主要技術(shù)難點(diǎn)。文章最后總結(jié)，納米材料在超滑設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中具有巨大的潛力，其超滑特性已成為先進(jìn)功能納米材料在節(jié)能應(yīng)用中最具有前景的性能之一。