鄭泉水院士團隊首次實現百公里無磨損滑動
來源：清力技術 2021-08-27
清華新聞網8月27日電 近日，清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心鄭泉水院士團隊在結構超滑技術的研究領域取得重要進展。團隊構建了由石墨和類金剛石薄膜組成的結構超滑接觸體系，在大氣環境和2.5 m/s的相對滑動速度下實現了長達108 km距離的無磨損滑動，為發展基于結構超滑技術的器件奠定了基礎。結構超滑（Structural Superlubricity）指的是兩個完全接觸的固體表面在滑動過程中，保持幾乎為零的摩擦力和零磨損的狀態。
持久和耐用的產品是長久以來人類追求的目標之一。然而，無處不在的磨損大大限制了產品的壽命。無限壽命的運動器件目前還只停留在科學幻想中。在當代工業社會里，約80%的器件失效是由磨損引起，這帶來了巨額經濟損失、資源浪費、環境污染。在微米尺度，由于表面效應十分顯著，因此相比宏觀器件，微米器件的磨損現象更加嚴重。傳統的潤滑方法（如使用潤滑油）在微米器件中往往難以使用，這使得很多精妙設計的器件難以走進現實。例如，1988年加州伯克利大學研發的歷史上第一個微米馬達，啟動后很快就因為磨損而失效了。
2012年，鄭泉水團隊第一次在大氣環境中，以m/s級的滑動速度實現了微米尺度結構超滑，為上述瓶頸問題的解決帶來了曙光。2019年，在深圳市政府和深圳市坪山區政府支持下，鄭泉水領銜建立了全球第一個結構超滑技術研究機構——深圳清華大學研究院超滑技術研究所，大大加速了結構超滑技術的研究和研發。
在本研究中，研究者將微米尺度石墨片粘接在了探針前端，通過納米操作手操作石墨片與一塊盤片上的原子級光滑的類金剛石薄膜接觸。石墨片位置固定，盤片的轉動使得石墨片與類金剛石薄膜間發生相對滑動。光學顯微鏡可以實時觀測石墨片在盤片上的滑動狀況。
研究者將石墨片的滑動速度控制在2.5 m/s，對石墨片進行了長達12.5小時共計108 km的滑動實驗。滑動實驗結束后，研究者對石墨片滑動面上的中心區域和四周進行了拉曼光譜表征，沒有探測到D峰。這意味著在108 km的超長距離滑動后，石墨的滑動面依然沒有磨損。研究者還對盤片上的滑道用原子力顯微鏡進行了形貌表征，也沒有發現任何磨損痕跡。
研究者進一步研究了石墨片在類金剛石薄膜上的摩擦力隨正壓力變化的關系。觀察到它們之間的摩擦應力僅為0.02 MPa左右 (正壓力為40微牛)，且微分摩擦系數約為0.005。當正壓力大于30微牛后，摩擦系數也為千分之一量級。石墨片可以看成由許多層石墨烯堆疊而成。石墨烯是范德華二維材料，其與類金剛石之間的相互作用力為較弱的范德華力，這可能是它們之間的摩擦力極低的原因。為了驗證這一點，研究者還進一步測量了石墨片與其它六種材料（硅、藍寶石、云母、氧化硅、氧化鋁、氧化鉿，它們與石墨片之間均為范德華作用）間的摩擦系數，結果顯示摩擦系數均在千分之一量級，處于超滑狀態。通過理論計算，研究者還發現石墨片與這些材料間的接觸狀態是全接觸。這種全接觸的狀態避免了應力集中、邊緣效應等可能破壞超滑狀態的因素。
綜合各項證據，研究者認為，界面的范德華相互作用、表面的原子級光滑、石墨烯面內極高的強度、以及全接觸狀態，共同導致了石墨片與類金剛石薄膜間極其優異的耐磨損性能。
該研究以“通過微米尺度石墨/類金剛石薄膜超滑異質結實現100km的無磨損滑動”（100 km wear-free sliding achieved by microscale superlubric graphite/DLC heterojunctions under ambient conditions）為題于2021年6月24日發表于《國家科學評論》（National Science Review）。深圳清華大學研究院和清華大學航天航空學院聯合培養博士后彭德利為論文第一作者，機械工程系馬明副教授和航天航空學院鄭泉水院士為論文共同通訊作者。論文合作者還包括鄭泉水院士團隊的王進博士、姜海洋博士、趙叔吉博士、博士生吳章輝，以及田凱文博士。
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（a）實驗裝置照片；（b）實驗裝置示意圖；（c）石墨片與基底接觸的表面在滑動實驗后的光學顯微鏡圖像；（d）拉曼光譜表征結果；（e）類金剛石薄膜上滑道所在區域形貌的原子力顯微鏡表征結果。
持久和耐用的產品是長久以來人類追求的目標之一。然而，無處不在的磨損大大限制了產品的壽命。無限壽命的運動器件目前還只停留在科學幻想中。在當代工業社會里，約80%的器件失效是由磨損引起，這帶來了巨額經濟損失、資源浪費、環境污染。在微米尺度，由于表面效應十分顯著，因此相比宏觀器件，微米器件的磨損現象更加嚴重。傳統的潤滑方法（如使用潤滑油）在微米器件中往往難以使用，這使得很多精妙設計的器件難以走進現實。例如，1988年加州伯克利大學研發的歷史上第一個微米馬達，啟動后很快就因為磨損而失效了。
2012年，鄭泉水團隊第一次在大氣環境中，以m/s級的滑動速度實現了微米尺度結構超滑，為上述瓶頸問題的解決帶來了曙光。2019年，在深圳市政府和深圳市坪山區政府支持下，鄭泉水領銜建立了全球第一個結構超滑技術研究機構——深圳清華大學研究院超滑技術研究所，大大加速了結構超滑技術的研究和研發。
在本研究中，研究者將微米尺度石墨片粘接在了探針前端，通過納米操作手操作石墨片與一塊盤片上的原子級光滑的類金剛石薄膜接觸。石墨片位置固定，盤片的轉動使得石墨片與類金剛石薄膜間發生相對滑動。光學顯微鏡可以實時觀測石墨片在盤片上的滑動狀況。
研究者將石墨片的滑動速度控制在2.5 m/s，對石墨片進行了長達12.5小時共計108 km的滑動實驗。滑動實驗結束后，研究者對石墨片滑動面上的中心區域和四周進行了拉曼光譜表征，沒有探測到D峰。這意味著在108 km的超長距離滑動后，石墨的滑動面依然沒有磨損。研究者還對盤片上的滑道用原子力顯微鏡進行了形貌表征，也沒有發現任何磨損痕跡。
研究者進一步研究了石墨片在類金剛石薄膜上的摩擦力隨正壓力變化的關系。觀察到它們之間的摩擦應力僅為0.02 MPa左右 (正壓力為40微牛)，且微分摩擦系數約為0.005。當正壓力大于30微牛后，摩擦系數也為千分之一量級。石墨片可以看成由許多層石墨烯堆疊而成。石墨烯是范德華二維材料，其與類金剛石之間的相互作用力為較弱的范德華力，這可能是它們之間的摩擦力極低的原因。為了驗證這一點，研究者還進一步測量了石墨片與其它六種材料（硅、藍寶石、云母、氧化硅、氧化鋁、氧化鉿，它們與石墨片之間均為范德華作用）間的摩擦系數，結果顯示摩擦系數均在千分之一量級，處于超滑狀態。通過理論計算，研究者還發現石墨片與這些材料間的接觸狀態是全接觸。這種全接觸的狀態避免了應力集中、邊緣效應等可能破壞超滑狀態的因素。
綜合各項證據，研究者認為，界面的范德華相互作用、表面的原子級光滑、石墨烯面內極高的強度、以及全接觸狀態，共同導致了石墨片與類金剛石薄膜間極其優異的耐磨損性能。
該研究以“通過微米尺度石墨/類金剛石薄膜超滑異質結實現100km的無磨損滑動”（100 km wear-free sliding achieved by microscale superlubric graphite/DLC heterojunctions under ambient conditions）為題于2021年6月24日發表于《國家科學評論》（National Science Review）。深圳清華大學研究院和清華大學航天航空學院聯合培養博士后彭德利為論文第一作者，機械工程系馬明副教授和航天航空學院鄭泉水院士為論文共同通訊作者。論文合作者還包括鄭泉水院士團隊的王進博士、姜海洋博士、趙叔吉博士、博士生吳章輝，以及田凱文博士。
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編輯：李華山
審核：呂婷
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