润滑研究进展

21世纪以来，摩擦学的发展突飞猛进，不管是在国内还是国外，特别是关于润滑学科，进展迅速。在摩擦与润滑机理研究方面，产生了新的理论与技术。我国学者在摩擦理论、润滑理论与技术、超滑机理与技术、摩擦物理化学、生物润滑、极端工况润滑、绿色摩擦学、海洋摩擦学等方面也取得了众多学术成果，为摩擦学的发展起到了重要促进作用。本文就润滑领域的几个重要进展进行综述。

1 超滑

超滑是近年来摩擦学发展最快的领域之一，它不仅使摩擦能耗降低了几个数量级，而且大大降低了磨损和摩擦噪声。超滑有可能是摩擦学在人类文明史上的一个重要贡献。现在全球许多国家开始高度关注超滑研究，中国在润滑研究领域取得了重大进展，论文数量逐年上升，其中，中国的贡献约占全球的2/3，如图1所示。

超滑可以分为两大类，即固体超滑和液体超滑。下面分别进行介绍。

1.1 固体超滑

1.1.1 类金刚石膜超滑

类金刚石(diamond like carbon，DLC)是一种非常优异的固体润滑剂[1-2]，碳素的天然结构有空间立体和平面网状结构，而两者共存的结构就是DLC，即具有非晶态结构的碳素，是一种碳原子之间以共价键键合的亚稳态非晶体材料，其共价键主要含有sp2和sp3两种杂化方式，同时在含氢的DLC膜中还存在一些C—H键。自美国阿贡国家实验室的ERDEMIR等[3]、ANDERSSON等[4]发现DLC的超滑性能以来，很多人致力于DLC超滑性能研究。DLC基新型超滑涂层不断涌现，与DLC相关的超滑机理研究也有突破。特别是清华大学关于低温DLC超滑膜的发现，使其应用范围得以大幅度拓展。

雒建斌课题组的刘淑娓等发现，使用高度氢化的非晶态碳膜(a-C∶H)可以达到超滑状态，在干燥氮气和氩气环境下，当摩擦副是a-C∶H镀层的硅片表面和同样镀层的不锈钢小球时，摩擦因数(coefficient of friction,COF)可以低至0.003，达到超滑，而对于无镀层的小球，无法达到超滑态，这主要是因为形成了光滑且厚度均匀的碳质摩擦膜[5]。张俊彦课题组的欧玉静等采用等离子体增强化学气相沉积与原位渗氮复合技术，在硅片和轴承钢球上制备类石墨碳薄膜，研究了两者组成的摩擦副在氮气中摩擦学行为，发现载荷4 N时，薄膜摩擦因数为0.01；载荷8 N时，薄膜摩擦因数降低到0.005[6]。这种变化归因于摩擦诱导薄膜结构进一步有序化以及沿滑动方向形成更加有序且更长的石墨烯以及片状磨屑，证实了采用自配对碳薄膜方案是实现固体超滑的一种有效途径。他们还发现，类富勒烯碳氢膜在高载荷下可以达到超滑，如图2所示[7]。对于碳原子末端状态对摩擦因数的影响，张俊彦课题组论证了电子润滑是氢化DLC碳膜实现超低摩擦的另一种有效方法，在干燥N2氛围，其摩擦因数可达0.009[7]。日本东京大学CHEN等[8]通过XPS、Raman和FTIR分析超光滑a-C∶H∶Si薄膜微观结构，发现在不同离子能量区生长的a-C∶H∶Si薄膜的键合结构由链状聚合物型向交联类金刚石型，再转变为sp2键合的非定型碳结构。对于a-C∶H∶Si薄膜这样的聚合物，在干燥N2气氛下，可以获得约为0.001的极低摩擦因数。MA等[9-10]使用分子动力学研究了DLC薄膜的摩擦行为，发现在含氢DLC薄膜中，氢原子作为碳膜之间的隔离层，使得范德华相互作用占主导地位，两个表面之间没有碳碳键的形成或断裂，摩擦因数大幅度下降。

随着表征技术和模拟方法的进步，研究人员现在能够更精细地探索DLC的润滑机理，特别是在原子尺度甚至是在实时观测中探测滑动界面和摩擦诱导产物。所有这些工作都强调了摩擦引起的结构变化和原位形成的摩擦层在建立低摩擦润滑状态中的关键作用。CHEN等[11]提出了聚焦离子束(FIB)切片法与扫描透射电子显微镜(STEM)和电子能量损失谱(EELS)相结合的方法来检测碳质滑动界面。他们的结果表明，这种最先进的技术可以提供超高的成像分辨率，同时也证实了摩擦诱导形成的界面纳米结构在控制干滑动接触中富氢DLC膜超滑性能的主导作用，如图3所示。

图3显示，在干燥的N2中进行超滑实验后，在球表面原位生长的是厚度约为20 nm的自配a-C∶H∶Si(Si的原子百分含量为9.3%)薄膜的摩擦层，以及BF-STEM、HAADF-M、假彩色BF- STEM和IFFT(或FFT)图像显示的纳米结构[11] 。

在影响摩擦学性能的因素中，法向载荷(接触压力)、滑动速度、温度和环境气氛起着关键作用[12]。已有的实验结果证实，富sp2(含氢类富勒烯碳膜(FLC)和类石墨碳膜(GLC))[13-14]或氢化DLC[15]可以通过将界面sp2层状结构重建为石墨烯，形成石墨壳或通过应力触发的局部转变来承受非常高的接触压力(高达1.24 GPa)。LIU等[16]研究了超滑稳定性在3～70 cm/s范围内的速度依赖性，发现高速滑动时超滑失效的原因是接触表面没有摩擦层，而不是闪蒸热效应或氢钝化破坏。实验和理论计算结果证实了氟和硅元素通过形成F—C和Si—C键来稳定体相膜和已成型的摩擦层的键合网络的决定性作用[17-18]。对于DLC与氧化铝的黏着摩擦副，研究者从摩擦化学反应的角度阐明了摩擦副的火山型温度依赖性(300～1 000 K)[19]，在600～800 K范围内，摩擦增大的原因是沿滑动界面形成了C—O键和C—Al键，而在800～1 000 K范围内，摩擦减小则归因于DLC的石墨化。此外，SHI等[20]进行了更全面的密度泛函理论(density functional theory，DFT)计算，证明了终端状态对DLC在各种气体环境中摩擦行为的影响，同时，他们提出了另一种利用电子润滑可能实现氢化DLC超低摩擦的策略。

1.1.2 二维材料超滑

由于弱的层间相互作用，石墨、石墨烯、碳纳米管和其他二维(2D)材料在实现超滑方面有很大的潜力[21-26]。到目前为止，在不同尺度的材料体系中已经实现了超滑，这其中揭示了一系列新的物理机制。

1.1.2.1 纳米尺度超滑

理论上认为，由具有晶格失配和本征非公度界面几何的二维异质层状结构是实现鲁棒超滑的理想实验模型[27-28]。虽然理论合理，但在实际工况中，实现二维材料单晶面层间滑移是比较困难的，常常由于晶格缺陷、晶界、污染等影响，在实验上验证理想模型是一个挑战。最近，郑泉水课题组宋一鸣等发现了在大气环境下石墨与六方氮化硼异质结界面的结构超滑现象，在异质结中观察到的摩擦各向异性比在均匀的异质结中测量到的要小几个数量级[29]。雒建斌课题组的刘艳敏等提出了一种热辅助机械剥落转移(TAMET)方法来实现二维异质结构层间超滑，其摩擦因数可低至10-4(图4)[30]。在此基础上，制备了各种二维薄片包裹的原子力显微镜(AFM)尖端，用来直接测量单晶接触下二维薄片的层间摩擦，在真空环境中摩擦因数可以达到10-5量级。此外，ZHOU等[31]还利用低频拉曼光谱检测了扭转MoS2层间耦合，可以用来反映层间剪切模式和力常数。研究人员也做了一些艰难的尝试，例如基于AFM的纳米金颗粒在高定向热解石墨(HOPG)上的滑动实验[32]，以及在硅碳上外延生长的石墨烯上单层二硫键的滑动[33]。

除了原子级微小接触区内由于界面非公度而产生的超滑机理外，研究人员还进行了一系列理论工作来探索超滑的新机理。SADEGHI[34]发现超滑可以由纳米接触的多原子性质控制。在这种情况下，增加层的尺寸或层内耦合可以增强多原子的性质，从而减少摩擦。另一方面，根据第一性原理计算，超滑可以通过压力引起的摩擦塌陷来实现。SUN等[35]证明了石墨烯/石墨烯系统中原子尺度摩擦的异常载荷依赖性，其中滑动摩擦首先随着正常载荷的增大而增大，然后减小，直到在临界点处转变为无摩擦状态。这是因为滑动势能面从波纹状转变为基本平坦，并最终转变为反波纹状。

1.1.2.2 大尺度超滑

除了纳米结构超滑性能的实验验证外[22]，研究者还观察到微尺度和宏观接触中无摩擦滑动现象，如石墨台面的自收缩行为和多壁碳纳米管的层间滑动[36-37]。图5所示为微米尺度超滑实例。雒建斌课题组利用石墨烯包覆微球(GMS)探针，在多层石墨烯和六方氮化硼异质界面上实现了微尺度超滑[38]。这种超低摩擦是由随机取向的石墨烯纳米颗粒多粗糙峰接触导致的持续整体非公度状态引起的。基于石墨台面的自收缩特性，研究者还获得了石墨与云母[39]、石墨与六方氮化硼异研究者质结[29]的微尺度超滑。

BERMAN等[40]在类金刚石碳膜与由石墨烯薄片和纳米金刚石颗粒形成的纳米卷之间观察到宏观超滑。最近，BERMAN课题组研究表明，洋葱状碳结构(onion-like carbon structures, OLCs)和氢化金刚石碳(hydrogenated diamond-like carbon, H-DLC)表面之间也存在超低摩擦[41]。在另一项研究中，研究人员采用恒流高频双脉冲增强化学气相沉积技术制备了OLC薄膜，由于摩擦过程中的“分子轴承”效应，OLC薄膜表现出超低摩擦和极低磨损率[42]。

最近，雒建斌课题组的刘欢等[42]通过搭建的瞬态吸收成像装置，并利用超快显微镜对原子级缺陷束缚激子扩散的过程进行直接成像，发现了二维材料的电子耗散与缺陷的关系，为解释摩擦能量耗散机理提供理论支持，也为检测纳米尺度缺陷提供了新方法。

鉴于以上研究成果，超滑研究的发展趋势包括以下内容：①需要探索超滑的新机理，以扩大超滑研究的范围；②利用测力灵敏度高、实验条件可精确控制的设备，探索摩擦因数的下限；③开发具有更高质量的新材料系统，以实现超滑；④在更大尺度上实现超滑，这对超滑在工业中的潜在应用具有重要意义[43]。

1.1.2.3 二维材料润滑添加剂

过渡金属二硫化物(TMDs)液体添加剂特别是MoS2的研究，主要集中在功能MoS2纳米片的制备[44-45]、MoS2纳米管的制备[46-47]、空心类富勒烯MoS2[48]、Fe3O4@MoS2核壳纳米复合材料的制备[49]、MoS2/蒙脱石纳米复合材料的制备[50]等方面。黑磷(BP)最近被用作液体润滑剂添加剂[51]。雒建斌课题组的王伟等利用黑磷(BP)作为优良的水基润滑添加剂，显著减小了摩擦，在球-盘摩擦磨损试验机中获得了超滑 (μ=0.000 6)[52]。实现超滑的条件是宽广的，包括大范围的添加剂浓度、接触压力和滑动速度。研究表明，由NaOH改性的超细BP纳米片所保留的极低剪切阻力水合层是优良摩擦性能的原因[52]，如图6所示。WU等[53]证明了BP纳米片的降解有利于润滑性能，如图7所示。具体而言，由于降解后产生的磷氧化物，在BP纳米片的降解区域中摩擦力可以降低约50%。虽然其他2D材料，如氮化硼、h-BN[54-55]、Mg/Al层状双氢氧化物(LDHS)[56]、TiO2/Ti3C2Tx纳米复合材料[57]等比石墨烯和MoS2在摩擦方面性能要低，但也被用来作为液体润滑剂添加剂来研究。

1.2 液体超滑

液体超滑的提出已有20多年的历史[58-61]，其机理可概括为水合作用[62]、化学反应层[63]、流体动力效应[64-65]、在超滑中更为重要的双电层相互作用[66-67]以及多重效应的组合[68]。雒建斌课题组发现了新的超滑体系，可以在纯酸溶液、盐溶液[69]、酸-醇体系[70]、醇体系[71]、离子液体、油基体系[72]和表面活性剂[73]等不同溶液中实现超滑。

雒建斌课题组的葛翔宇等使用硼酸聚乙二醇水溶液(BA-PEG)在Si3N4/SiO2表面之间达到宏观稳定的超滑状态[74]。与醋酸、酒石酸、柠檬酸、乳酸等弱酸或中等强酸相比，硼酸更容易达到超滑状态，其溶液呈中性，如图8所示，分析和实验表明，润滑油分子与固体表面之间的摩擦反应是在硼酸-聚乙二醇水溶液的摩擦过程中发生的，氢离子不断产生和消耗，其反应式为

该润滑剂具有类似于磷酸溶液[75]的超滑特性，且溶液整体呈中性。

葛翔宇等[76]还使用1-乙基-3-甲基咪唑-三氟甲烷磺酸盐([EMIM]TFS)溶液在宏观尺度上实现稳定的超滑特性，如图9所示，摩擦因数可降至0.003左右，超滑状态可稳定至少1 h。经测试，氮化硅球表面[EMIM]TFS溶液的XPS结果表明，磨损表面存在阳离子([EMIM]+)吸附，阴离子TFS-与磨损表面形成一层化学反应膜，证明是在摩擦过程中产生的硫化物。磨损表面的化学反应膜和吸附膜具有较低的剪切应力并能降低摩擦。在此基础上，GE等[76]提出了摩擦化学反应形成吸附膜的超滑模型。

HAN等[77]第一次在宏观上用水合碱金属离子达到超滑状态。先用pH值为1.5的磷酸溶液进行300 s磨合，然后用去离子水冲洗掉剩余的磷酸溶液，用50 mmol/L KCl溶液作为润滑剂。在3 N载荷下，摩擦因数达到了0.005的超低值，如图10a所示。XPS分析表明，磨损表面形成了约6 nm的软硅层。另外，他们还探究了不同跑合类型(分别是超滑后，酸跑合后，KCL溶液跑合后，KOH溶液跑合后，酸跑合后马上浸入HF酸中，以及原始表面)对氮化硅球表面氧化硅含量的影响，如图10b所示，结果发现酸跑合后(包括超滑后)氧化硅含量最高，说明酸磨合过程中形成了二氧化硅层。

综上，实现水合碱金属离子宏观超滑取决于三个方面：一是酸的磨合降低了接触压力和接触区的表面粗糙度，为水合效应做好了准备；二是酸与氮化硅的反应形成了易变形的软硅层，保证了固体表面的负电荷；三是在受限条件下，水合离子可以产生水合排斥力。

聚醚是一种工业中常见的水溶性聚合物。如图11和图12所示，雒建斌课题组的王鸿栋等[78-79]将聚醚与水的混合溶液作为研究对象进行了摩擦学表征。在日常环境下，该聚醚可以与水以任意比例互溶并且在较宽的速度和浓度范围内(质量分数30%～60%)以滴加(40 μL)与全浸泡的状态(见图11)都能实现超低的摩擦因数(最低可达0.002 3)。

在摩擦的过程中，通过对比实验前后摩擦副表面磨痕区域的拉曼光谱，发现其表面会物理吸附部分聚醚分子，从而在发生相对运动过程中增加其对水分子的吸附能力。此外，对于聚醚水溶液分别进行了热重以及红外光谱(见图12b)等表征，发现能够实现超滑的主要原因是聚合物通过氢键作用生成的水合层以及聚醚在适中浓度(质量分数30%～60%)的水溶液中存在部分自由水分子。水合层的存在能有效降低润滑过程中流体的剪切强度；而自由水分子的存在则能有效减弱聚合物链之间的分子相互作用。在两者的协同作用下，产生超低摩擦因数这一现象。

由以上可知，聚醚水溶液在一定条件下可以获得超低的摩擦因数。此外，水滑石作为添加剂时可在水基润滑体系中展现出良好的润滑性能。WANG等[79]将两种水滑石材料均匀地分散在聚醚水溶液中，水滑石材料分别为宽约60 nm、高约1 nm的超薄水滑石片，以及宽约19.73 nm、高约8.68 nm的水滑石纳米颗粒。通过实验可知，添加了超薄水滑石片的聚醚水溶液样品可以极大地缩短(约为85%)实现超滑的跑合阶段，并且承载压力提高到原来的4倍，可达约92.7 MPa。该超薄水滑石片的层间相互作用力较弱且具有较强的吸附作用，摩擦过程中吸附在表面的薄片有助于对粗糙峰的抛光，从而起到保护作用。

LI等[80]研究了水合层形成时石墨烯层之间的摩擦。如图13所示，通过添加两性离子溶液，石墨烯与两性离子之间形成了亚纳米水合层，摩擦因数很小，达到0.001。在常压下，石墨烯和两性离子之间存在一层亚纳米液相水合层，由于水/石墨烯界面的剪切强度极低，导致摩擦力极小，水合层的形成可以有效润滑层状材料，这对设计层状材料有效边界润滑具有潜在意义。

LI等[81]用原子力显微镜研究了含氟表面活性剂的纳米自组装胶束阵列，如图14所示，发现在一定的压力下，胶束阵列会被压碎形成单层吸附分子，两种情况下的摩擦因数不同。挤出过程与胶束的自我修复有关，这是通过吸附在接触区的表面活性剂分子重组而实现的。挤出现象的机理可以归结为胶束重组的Gibbs自由能转变为分离两个压缩表面的机械能。这揭示了纳米尺度边界润滑的分子机制以及在纳米尺度上产生和储存机械能的可能途径。

2 薄膜润滑

薄膜润滑(thin film lubrication, TFL)最早是在20年前由雒建斌等[82-83]提出的，指的是介于流体润滑和边界润滑之间的润滑状态。润滑作用主要来自有序分子，因此其剪切应力应高于流体分子。文献[84-97]对薄膜润滑进行了深入研究，在某种程度上，薄膜润滑也称为受限液体润滑。文献[98-102]用表面力仪(SFA)对纳米间隙中液体进行研究，发现两固体表面间的吸附力与表面间距及润滑剂温度密切相关，且受限液体有效黏度比自然状态的大很多。文献[90]也发现在平基底和抛光后的钢球间加电场之后，由非极性分子

形成纳米膜的流动性变弱。他们实验发现受限于纳米间隙的液体在电场作用下出现“冻结”或向“类固态”转变。同时，雒建斌课题组发现了纳米润滑膜在电场作用下产生微气泡的现象和电场作用下的薄膜润滑分子行为[88-92]。

最近，雒建斌课题组在Friction期刊上发表了关于薄膜润滑历史发展以及现状的综述[103-104]，如今薄膜润滑仍存在三个尚未解决的问题，即滑动时能有效进入接触区的分子类型的确定、接触区分子的取向以及固体表面对薄膜润滑(TFL)液相分子取向的影响。为了回答前两个问题，ZHANG等[103]建立了一个由自制拉曼显微镜和相对光强干涉(ROII)系统组成的原位测量系统来研究二元润滑剂中分子极性对分子取向及分子行为的影响，采用多种二元混合物作为润滑剂，对TFL中添加剂分子的浓度分布和取向进行了表征。分子行为是通过剪切、限制和表面吸附的结合来确定的。此外，由于分子极性的不同，表面吸附和分子间相互作用的竞争效应也不同，文献[103]讨论了它们对分子行为的影响。极性添加剂分子与钢表面相互作用，加入非极性基础油后在赫兹接触区表现出富集效应。加入非极性基础油的非极性分子和加入极性基础油的极性分子没有富集效应。结果表明，表面吸附受分子极性的控制，分子排列受表面吸附、约束和热应力的共同影响，文献[103]建立了描述TFL分子行为的双组分润滑剂润滑机理模型。GAO等[104]提出了一种基于表面增强拉曼光谱的方法来显示TFL体系中液体分子的堆积和取向。通过在结构银表面和玻璃表面之间捕获液晶分子，成功地区分了以剪切效应和表面效应为主的分子有序态。展示了一种由吸附层、有序分子层和流体层组成的纳米三明治结构。在TFL中实现了分子成像。研究结果揭示了纳米约束膜的分子行为和润滑机理，有助于纳米机电和微电子机械系统的润滑设计。在薄膜润滑中，润滑油的黏度及其摩擦因数一般都会增大，如何降低TFL中摩擦因数是摩擦学界面临的一个重大挑战。

青岛理工大学扩展了二色干涉法在润滑油膜厚度测量中的应用范围，研究共形接触润滑的理论，实现了固定斜面共形接触润滑膜厚度和摩擦力的同时测量[105-106]，并在Friction特刊上发表了有关薄膜润滑最新的发展[107]。GUO等[108]利用含全氟庚酸添加剂的硅油进行了一系列薄膜流体动力润滑试验，发现边界屈服应力与势垒是单调相关的。他们采用滑块-圆盘试验装置，研究了润滑油黏度和滑动速度对薄膜流体动力润滑中边界滑移的影响，发现边界屈服应力随润滑油黏度和滑动速度的增大而线性增大[109]。法国里昂大学相关课题组研究了不同化学成分、分子量和构象的聚合物添加到矿物基础油中的简化润滑剂，在纯轧制和等温条件下进行薄膜厚度测量[110]，以量化和澄清聚合物添加对弹性流体力学(EHD)和超薄薄膜(VTF)状态下润滑剂行为的影响；并通过球-盘实验和线接触的数值模拟研究了纳米波纹织构对弹流润滑(EHL)接触膜厚度和摩擦的影响[111]。弹流润滑到混合润滑的转变归因于微弹流润滑效应，尽管随后的摩擦增加主要是由于粗糙峰接触。在混合润滑状态下，摩擦因数主要由表面粗糙度决定，其值随波纹振幅的增大而增大。北京理工大学王文中课题组提出了一种考虑滑移和热效应的层状油滑移模型，探讨了高速油膜厚度变化的机理，发现界面滑移和热效应共同影响了高速下膜厚行为[112]。

在润滑机理研究方面，LIANG等[113]利用相对光干涉强度技术(ROII) [82]测量了膜厚并研究了高速条件下油的自发复合形成的TFL行为。结果表明，当乏油时，润滑剂分子重排以形成有序层和较厚的薄膜临界。因为薄膜润滑对于成膜分子既要有一定的黏度用来支撑摩擦副表面，又要有较好的流动性分子层来实现摩擦副表面的相对运动，因此，对于传统矿物油为主要成分的润滑油，设计一种既能节省能源降低环境污染又可以完成同样润滑的混合成分油则成为研究新型润滑剂的突破点。其中，水作为一种常见润滑剂，具有黏温性能好、摩擦因数小、环境友好、不燃烧、资源丰富等优点，但低速时很难形成有效润滑膜，而一般润滑油又可以吸附到摩擦副表面形成润滑膜来支撑摩擦副表面，因此，把水与润滑油混合起来作为新型润滑剂使用，被称为纳米高水基润滑。重庆大学王家序小组、华中科技大学管文超小组、清华大学雒建斌小组等针对纳米级高水基润滑开展了研究。雒建斌小组的马丽然等[93]发现了高水基润滑微量油(小于0. 01%)润滑情况下可形成80 nm左右厚度良好润滑性能的润滑膜现象。他们通过对接触区附近油滴流动规律的观测发现，在入口区前方大部分的油粒都绕过接触区流走，对成膜和润滑不起作用，只有少数油粒在入口区汇集，在压力作用下破裂并相互融合形成油相的连续相——油池，该油池对接触区润滑膜的形成至关重要。他们建立了油池尺寸的理论模型, 该模型充分考虑了乳液浓度、油滴直径、速度对油池的影响，可以很好地预测油池的尺寸，并与实验结果吻合良好[93-94]。

但上述只是研究了水基乳液薄膜润滑成膜机理，润滑作用主要来自有序分子，因此其剪切应力应高于流体分子。对于如何降低流体阻力，使润滑状态转变为超滑态，便成为摩擦学界的一大挑战。雒建斌课题组葛翔宇等[114]在2018年成功降低了摩擦因数，实现了薄膜润滑条件下的超滑状态。在磨合过程中，用PEG水溶液对钢摩擦副表面进行润滑，然后分别改为极性润滑剂(PAG)和非极性润滑剂(PAO)，结果表明，可以直接获得相当低的摩擦因数(约0.005)。通过对磨损表面的分析，发现在PEG处理后，在钢表面上存在一层摩擦化学反应膜，并且在PAG(或PAO)润滑实验后仍存在反应膜。超滑是化学反应层、吸附层和流体层相互作用的结果，如图15a、图15b所示[115]。此外，他们还使用1,3-二酮(EPBD-02/01)实现了钢/钢表面之间的宏观超滑状态，摩擦因数为0.006，如图15c所示[115]。这项研究将提高对TFL体系中超滑的科学理解，并揭示未来在工业应用中设计钢表面超滑系统的可能性。

3 纳米润滑

3.1 离子液体润滑

离子液体(ILs)具有优良的稳定性和低摩擦性能，不同的离子液体具有不同的分子结构和不同的润滑性能，由于其高的热稳定性和良好的摩擦学性能，作为边界润滑油的应用越来越受到人们的关注。

等[116]采用分子动力学(MD)模拟研究了限制因素对离子液体润滑和流动特性的影响，结果发现，在动态状态下，ILs分子与固体壁的相互作用是控制间隙离子液体分子行为的主要驱动力。他们在不同的法向载荷和剪切力下也观察到了从致密液体到有序的、可能凝固的离子液体的转变。越来越多的研究表明，水对固体表面附近离子液体的结构和性质有影响。ZHANG等[117]研究了水对两种不同电荷密度云母表面附近离子液体[BMIM][tfn]的三维结构的影响，研究发现，水不仅可以改变云母表面的离子层，而且可以改变云母表面的横向和取向顺序以及阳离子疏水尾的聚集性。FREITAS等[118]用分子动力学方法研究了类表面活性剂两亲性离子液体[C10C1Pyrr][NTf2]在受限空间和云母界面上的体相性质，很好地解释了体相中的双连续结构以及在受限空间内自发形成的有序单层和双层结构。LI等 [119]研究了几种质子离子液体(ILs)和一种有机摩擦改进剂(OFM)的协同作用，以达到降低摩擦的目的。GONG等[120]和LHERMEROUT等[121]讨论了离子液体的新进展。JIANG等[122]利用生物材料通过简单的绿色路线从氨基酸(AAs)和胆碱(Ch)合成了环境友好型离子液体([Ch][AA]ILs)。这些润滑油具有良好的减摩抗磨性能，这与摩擦过程中金属表面形成物理吸附膜有关。AMANN等[123]还报告了用于抗磨添加剂的离子液体。GE等[124]通过摩擦化学反应原位合成了几种离子液体，并在氮化硅(Si3N4)界面上实现了离子液体的宏观超滑，复合摩擦化学层(由磷酸盐、氟化物、二氧化硅和含氨化合物组成)、水合层和液膜的组合有助于实现超滑和提高耐磨性，如图16所示。

3.2 纳米添加剂

油基润滑在润滑领域占有主导地位,低黏度高效润滑已成为发展趋势。GUO等[125]考察了缸套活塞环(CLPR)中油的润滑特性，他们的工作表明微凹面在高载荷条件下更有利于改善磨损性能。WANG等[126]的模拟工作表明，具有超效抗磨特性的抗磨剂分子应该具有可以稳定吸附在金属表面的结构，且化学吸附效果最好，同时，结构中的一些基团可以形成分子内氢键，从而增强分子间作用力。SHI等[127]研究了含有苯环分子平面的聚羧酸的摩擦性能，结果发现具有较高摩擦因数的表面具有更大的总表面能。

KRASS等[128]观察到，在石墨烯表面受限分子平行于所有液体表面取向，形成了厚度相当于烷基链直径的层，云母表面受限的十六烷分子也同样与云母表面平行，而1-十六碳烯首层的分子和PAO方向更为垂直。OKUBO等[129]的研究表明，无定形碳/脂肪酸界面是一层具有高分子密度的厚边界薄膜，从而可以支撑滑动界面来降低摩擦。ZENG等[130]发现蓖麻油润滑的超低摩擦可以归因于摩擦诱导的油降解和氧化，以及羟基末端和固体表面的排斥力。TA等[131]利用MD模拟研究了分子结构对金红石表面间含水三嵌段共聚物润滑剂润滑效果的影响，剪切力对分子取向具有轻微影响。EWEN等[132]利用非平衡分子动力学(NEMD)模拟研究了剪切作用下润滑剂的纳米尺度行为，讨论了润滑剂和添加剂的NEMD的研究进展以及NEMD在摩擦学的未来前景。XU等[133]利用MD研究了云母表面的环己烷膜，发现两种固体表面的排斥力大约从7个润滑层(n=7)开始，且润滑膜会在n<6时经历突然的液相-固相转变。

然而，对于润滑油添加剂而言，由于润滑油中存在团聚现象，且难以进入摩擦接触区，添加剂的摩擦学性能将会恶化。ZHAO等[134]最新研究发现，纳米颗粒和二维纳米片作为润滑剂添加剂，可以显著降低摩擦能耗。他们采用原位绿色合成方法开发了Mn3O4纳米粒子和石墨烯纳米片(Mn3O4@G)的新型三明治状纳米结构，如图17所示，以氧化石墨中的Mn2+离子为前驱体的杂质直接转移到石墨烯片层之间的Mn3O4沉淀中，石墨烯具有层状结构，没有折叠和起皱，Mn3O4纳米颗粒不仅均匀地固定在石墨烯表面，而且插入在石墨烯纳米片层中。

由于石墨烯纳米片和Mn3O4纳米片之间的协同润滑作用，Mn3O4@G具有优异的摩擦学性能和高稳定性，如图18所示，即使在超低浓度(质量分数为0.075%)和125 ℃的高温下，与基础油相比，摩擦因数和磨损深度也分别降低了75%和97%。该合成方法和Mn3O4@G纳米复合材料在各种摩擦学应用中具有显著的节能潜力。

雒建斌课题组的王鸿栋等[135]选取了一种无机的矿物材料水滑石作为纳米润滑添加剂，使用微乳液的合成方法，通过控制合成反应时间制备得到三种不同尺寸的纳米级镍铝水滑石样品，如图19所示，通过原子力显微镜透射电镜确定其层状结构三维尺寸。作为润滑添加剂，纳米水滑石样品的摩擦学性能通过在三种不同载荷下进行高频往复球盘接触实验来进行评估，在接触压强不超过2.16 GPa的工况条件下，不仅摩擦因数下降了10%左右，而且抗磨性能也得到了改善。值得一提的是，在摩擦实验过程中，较大尺寸的纳米薄片相较于小尺寸的纳米水滑石薄片而言，显示出了更优异且稳定的摩擦学性能。该现象主要是由于较大尺寸的水滑石薄片样品有良好的结晶度,从而在滑动过程中形成了力学性能更好的摩擦润滑反应膜。由于其简单的合成工艺以及良好的摩擦学性能，纳米水滑石在未来工业发展中具有很大的潜在应用价值。

如我们所见，纳米润滑中润滑油添加剂的研究正如火如荼地进行,它可大幅度降低能耗和材料消耗。然而，目前对润滑油添加剂的研究仍面临许多挑战，例如：有许多新兴材料有待探索，特别是绿色添加剂尚需尽快开发；开发通用的、环境友好的方法来辅助纳米颗粒分散已迫在眉睫；废润滑油的回收、分离、清洗和再利用问题有待解决。

4 极端工况摩擦与润滑

高速、高温及重载工作条件是航空、航天、高速列车、先进制造装备等领域发展过程中无法避免的苛刻工况条件。极端苛刻工况将导致润滑材料寿命急剧缩短，运动副精度的保持能力和稳定运行的能力急剧降低，并时常产生灾难性事故。突破极端苛刻条件下的润滑抗磨损材料技术瓶颈，推动我国润滑抗磨材料技术发展，已成为我国高技术、能源、资源等领域急需解决的重大基础科学问题之一。

中国科学院兰州化学研究所的刘维民课题组在太空条件摩擦学研究多年，发现了在硅油中加入氯、氟等化学活性元素有助于提高液体润滑剂的耐磨性和承载能力[136]，致密MoS2-Sb2O3复合膜可有效抗低轨空间环境[137]，NiCrMoAl-Ag-CaF2/BaF2固体润滑复合材料在真空环境可有效降低摩擦因数和磨损[138]，纳米Si或SiNx保护层对Ag膜的原子氧辐射有较好的防护作用[139]，MoS2/WS2纳米多层膜[140]耐磨性显著提高，其耐磨寿命比单层膜的耐磨寿命延长一个数量级，可作为航空航天润滑剂使用。

在海洋条件下，武汉材料保护研究所李健课题组对水冲击磨损进行研究，开发海水润滑轴承衬套的配套材料[141]；武汉理工大学严新平课题组在可再生能源系统摩擦学、船体减阻摩擦学和能效提高以及船舶机械磨损故障监测与诊断方面进行了研究[142-144]；中国科学院宁波材料技术与工程研究所薛群基、王立平课题组完善了强韧、润滑与防腐一体化防护薄膜体系，建立了薄膜多尺度强韧化设计和极端环境下寿命控制技术[145-146]；清华大学汪家道等[147-149]在表面织构设计与水下减阻，超疏水润湿行为等方面做了很多工作。在高速轴承齿轮摩擦润滑以及旋转陀螺仪低摩擦机械转子的设计方面，哈尔滨工业大学张海峰课题组也做出了重要贡献。

在重载荷或高转速条件下，摩擦副间隙将达到纳米量级(1～100 nm)，压力达到3 GPa以上，线速度达到100 m/s，相应的剪切率达到108～1010s-1，此时表面界面的润滑方式已由传统的流体动压润滑经过薄膜润滑向边界润滑以及单分子层润滑发展，润滑防护已成为点、线接触运动副寿命和可靠性的最重要保障。由于温度变化导致的凝结水会对润滑接触区产生污染，导致润滑失效和摩擦副锈蚀，因此，探索润滑材料在高压力、高速度、微间隙中的行为规律、尺度效应、失效机制及控制方法，对保障系统稳定性、可靠性、经济性具有重要的理论意义和应用价值。

下面主要从高速、高压以及乏油方面阐述极端工况摩擦与润滑发展情况。

清华大学雒建斌课题组在NGY-2型纳米级润滑膜厚度测量仪的基础上，研制出高速及高压摩擦润滑测试仪，其中高压微间隙摩擦测量实验平台采用新型的平衡加载结构和高分辨率图像采集系统，可在接触压力高达3.5 GPa、温度达200 ℃的苛刻条件下测量润滑剂膜厚、摩擦力和温度，能够评价润滑材料在高接触压力和高温的苛刻条件下的润滑特性和摩擦磨损性能，为提高润滑材料的润滑效果和使用寿命的研究提供条件，整个系统如图20a所示。通过高压膜厚测量仪获得的不同接触压力下接触区干涉图像如图20b所示，可以清晰地观察到接触压力对接触区大小的影响和卷吸速度对中心膜厚的影响。动态接触且速度足够大时，由于卷吸速度产生的流体动压效应使中心膜厚增大，从图20b中深黑线下方部分可以观察到较明显的端泄现象。

针对高速摩擦工况，雒建斌课题组梁鹤等[150]研制了一台高速摩擦润滑特性测试仪器(见图21)，该仪器实现了线速度100 m/s下的摩擦力测量及42 m/s下的膜厚测量。

图22为PAO8的干涉图像随速度变化图[150]，可以看到，高转速下的干涉图由于溅油略有模糊，干涉环形态与典型等温弹流(EHL)干涉环分布一致，在充分供油条件下，高速时膜厚比较厚(速度u=27 m/s时，中心膜厚约为2 μm)。但是，在乏油状态，如图23所示[150]，从7 m/s开始，接触区外侧干涉图像逐渐变得不对称。乏油从接触区外侧开始，到9 m/s时，油池外侧大部分变成平坦状，为典型乏油情况，油池内侧仍存在一定润滑膜厚，速度大于17 m/s时，干涉区几乎所有部分平坦化，乏油十分严重。

图24所示[150]为中心膜厚和最小膜厚测量值随速度变化情况。从7 m/s开始，膜厚转而快速减小，进入乏油状态。从7～13 m/s,中心膜厚Hc和最小膜厚Hmin随速度上升快速下降，且中心膜厚逐渐接近最小膜厚值。从13～30 m/s,Hc和Hmin降低速度逐渐减慢，Hc和Hmin值几乎一致，在高速下最低膜厚达到一极限值，说明接触区大部分区域已变平。当速度为30 m/s时，Hmin约为130 nm。尽管此刻处于严重乏油状态，膜厚仍足以分离摩擦副两表面。v

实验结果表明，在乏油润滑条件下，当转速超过临界转速时，油膜厚度迅速减小且非对称。供不应求取决于入口区域和储油罐侧可用的润滑油量。由于离心作用，油层的形状变得不对称，高速时油量随着转速的增加而逐渐减少，在离心力作用下，油层外侧的油将被甩出，油层内侧的油将被压缩。离心力引起的供油平衡和油损失决定了乏油行为。

另有研究发现，当薄膜处于严重匮乏状态时，成膜条件可以在高速下转变为薄膜润滑(TFL)[113]。有学者也研究了油水竞争润湿行为驱动的成膜行为和机理[151]，利用相对光干涉强度技术得到了中心膜厚及其分布，发现高速流动驱动润滑油分子在TFL中重排，临界膜厚大于100 nm，低于临界膜厚，可能处于薄膜润滑模式。通过研究临界膜厚与速度，润滑时间和黏度的变化规律，润滑油黏度是控制临界膜厚降低速率和厚度的主要因素之一。

5 智能润滑

智能润滑(intelligent lubrication)指的是在润滑过程中，可以通过改变润滑过程参数来实现润滑结果的自主可控调节。目前发展方向有三个方面，一是润滑油的智能供给，二是润滑机械系统的实时调整，三是改变润滑剂的微观结构，从而在功能上有所改进。

在润滑剂微观结构的选取与改进上，应用最广泛的是核壳颗粒。自20世纪90年代初首次合成核壳颗粒以来，由于其在前沿材料化学、催化、生物医学、药物控释等领域的成功应用，已经获得了广泛的关注。核壳纳米结构是一种由化学键或其他力形成的有序纳米组装结构，是双组分体系中最简单的基序之一。正是由于其结构稳定、合成技术成熟，用在实际润滑中可以通过改变核壳比来自主可控润滑效果。

为了在理想的聚合物复合材料中同时获得优异的力学性能和润滑性能，ZHANG等[152-153]采用以聚四氟乙烯(PTFE)为核、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为壳的核壳纳米球作为结构单元，制备了不同核壳厚度比的块体纳米复合材料。图25示出了核壳纳米球材料的摩擦因数和磨损率，其中，图25a显示，纯PMMA的摩擦因数在150 s后逐渐增加并稳定在0.55左右，而纯PTFE在整个试验期间表现出相当稳定的摩擦因数(约0.12)。相比之下，PTFE@PMMA复合材料的摩擦因数分别为0.03、0.06和0.08，具有良好的润滑性能，是一种很有前途的新型结构材料。随着核壳比的降低、PMMA含量的增加，复合材料的润滑性能略有下降。机械搅拌法得到的PTFE/PMMA(1.5)的摩擦因数为0.15，高于纯PTFE的摩擦因数。在润滑性能方面，核壳结构纳米复合材料明显优于传统的机械混合复合材料。

结果表明，以核壳纳米球为连续基体制备的纳米复合材料，其力学性能和润滑性能得到了显著改善。特别是，与纯PTFE相比，PTFE @ PMMA纳米复合材料的抗压强度明显提高了一个数量级(从9 MPa提高到大约90 MPa)，摩擦因数降低了25%(最低值为0.03)，磨损率下降了两个数量级。此外，通过改变核壳比可以调节纳米复合材料的力学性能和润滑性能，适当的核壳比有利于获得理想的综合性能。核壳结构所赋予的约束效应、改善分散能力等性能，有效导致增强相的高度分散，提高了转移膜对摩擦表面的结合力，阻断高分子复合材料的磨损过程。

6 其他润滑(生物仿生学、绿色摩擦与润滑)

其他润滑主要包括生物润滑以及仿生摩擦学绿色摩擦与润滑等。

生物润滑，主要是人体摩擦学，指的是人体内相互运动器官之间的摩擦、润滑以及失效。比如眼睛、嘴、牙齿、心脏、关节、皮肤、头发等，以及一些生物摩擦中的生理反应、自适应和自修复过程。通过生物润滑机理研究及反向设计，最新的成果可以应用在人造牙齿、人工心脏、人工关节、眼药水等产品中。其中人类关节由于使用频繁，最容易受到病痛的侵袭和折磨，关节炎会使得人体关节部分发生红肿热痛等功能障碍以及关节畸形，严重可导致关节残疾，影响生活质量。每年我国大约有1亿人需要更换关节，包括膝关节、髋关节、肘关节、踝关节、肩关节、腕关节等。人工关节最早的研究可以追溯到19世纪末，从Gluck采用象牙制造的髋臼及股骨头型人工关节置换开始，到20世纪60年代Charnley开创性地使用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制造髋臼内衬与金属股骨头相配合，设计出了低摩擦人工关节，使其具有低摩擦、低松动发生率、高稳定性等优点。随着社会科学与技术的不断发展，人类对人工关节的要求也越来越高，一些新关节材料，如钛基合金、Al2O3、CoCrMo合金已成为研究对象，而关节上的一些颗粒物，如金属颗粒、UHMWPE颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯颗粒、陶瓷颗粒等磨损颗粒都可以引起关节的病变。清华大学TAN等[154]研究了超分子主客体功能的二氧化硅颗粒。在受损关节中，高摩擦因数将导致更多的能量转换，会削弱关节表面的相互作用，引起二氧化硅颗粒释放，而且颗粒表面的水合层也具有增强润滑效果，如图26所示[154]。他们结合欧洲蕨类种子的结构(具有光滑的假种皮和含淀粉粒的硬涂层)设计出了一种新型的超滑纳米粒子，即聚(3-磺丙基甲基丙烯酸钾盐)-接枝介孔二氧化硅纳米粒子(MSNs-NH2@PSPMK)[155]。接枝的PSPMK聚电解质聚合物在负电荷周围形成了坚韧的水合层，增强了纳米粒子的润滑性，同时由于MSNs中有足够的介孔通道，故具有有效的载药和释药行为。当用抗炎药双氯芬酸钠(DS)包封时，超滑纳米颗粒的润滑性能得到改善，而药物释放率则通过增加PSPMK层的厚度来维持, 如图27所示[155]。ZHENG等[156]研究了不同材料牙齿的摩擦因数，在唾液润滑条件下，钛合金材质摩擦因数为0.15，不锈钢材质摩擦因数为0.2。此外，一些新的学科分支，如皮肤摩擦学、脏器摩擦学等的研究也较活跃。心脏瓣膜在长期工作中，由于血液的冲击带来的磨损和疲劳失效，会对心脏病患者的生命安全造成极大的危害，如何设计出表面摩擦力小、润滑性质好，且强度高的心脏瓣膜，是当前生物人体摩擦学研究的一个热点。

仿生学，主要是模仿生物的独特性质，通过观察、复制和改造植物或者动物表面形貌或者内部结构，来获得与生物体相似的功能或者性能。BARTHLOTT等[157]第一次发现荷叶等疏水植物表面对污染物的自清洁功能，这种神奇的功能使科研工作者对生物表界面物理化学特性产生了浓厚的兴趣。FENG等[158]和ZHAO等[159]研究了荷叶和水稻叶超疏水界面的微纳结构，发现表面微观结构的排列会影响水滴的运动方式，并据此制备了聚合物纳米纤维的超疏水表面和不同取向的碳纳米管(ACNT)薄膜，并且基于荷叶超疏水上表面和超亲水下表面的二元协同效应，设计出可以稳定附着在气-水界面的非对称界面铜片材料，由此制成的微艇在紊流情况下仍具有可靠的航行能力。WANG等[160]对荷叶的疏水性进行了详细的实验研究，包括接触角、滞留气体、微纳米表面形貌，发现荷叶表面的微纳米柱结构是导致前表面超疏水性的主要原因。对于“昆虫杀手”猪笼草捕食口袋中液体能从低处流向高处的搬运现象，CHEN等[161]通过对猪笼草口缘区在湿润环境下显现出的超滑特性进行了研究，发现在梯度楔形微纳结构中会产生液膜单方向搬运的神奇现象，开创性地提出了无动力自润滑防黏新理念，对解决微创手术器械防黏技术难题具有重要参考价值。而TAO等[162]发现，具有很大黏附力、能在墙壁和天花板上来去自如的壁虎，其脚趾上有刚毛微纳结构，接触面积极大，产生很强的分子间作用力，根据此原理，首次制造了V形单晶金刚石刀具，并在超精密金刚石切削的基础上，制备了具有楔形结构的壁虎型表面模具。使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制楔形结构，产生图28所示的楔形表面，并通过简单驱动，可以很容易地控制楔形结构在大气条件下和真空中的黏附力，以拾取、保持和释放重量，这在真空中具有潜在的应用前景。文献[163-165]的作者通过观察研究荷塘上面“水上漂”的水黾和水蜘蛛，提出了一种利用阴影方法计算微小皮牛力的方法，如图29所示，并且记录各腿上支撑力的分布，定量地揭示了水黾的推进原理。水黾通过作为方向舵的两条后腿轻微摆动来轻松控制运动方向和速度，这些划水原理可能会对未来高推进效率的复杂仿生水上行走机器人产生启发。此外，在水下减摩减阻方面，像鲨鱼皮一样的仿生表面可以用在船只潜艇的表面材料中以提升动力性能，并降低被发现的风险。在仿生润滑中，许多动物的体液，如蚯蚓、泥鳅、蛇等，都是性能优良的润滑剂，我国的任露泉、佟金、戴振东等学者在仿生润滑领域取得了丰硕的成果。

绿色摩擦学是我国张嗣伟教授于2009年向国际摩擦学理事会主席JOST建议的，2009年中英双边会议主题被定为“绿色摩擦学”。绿色摩擦学是研究涉及生态平衡以及环境与生物影响的各种摩擦学问题的一门科学与技术，是以资源、环境与经济全面协调可持续发展作为理念指导，以节能、节材、保护生态环境和提高生命质量为目标。其主要任务是研究和开发实现此目标的各种绿色摩擦学理论、方法与技术，使摩擦学部件和摩擦学系统在其整个生命周期中成为具有可持续发展能力的人工生态系统。随着世界能源需求的日益增加，人类对石油等化石燃料使用已然过度，在可持续发展要求下，需要找到石油等相关替代品。另一个就是化石燃料燃烧产生的高污染问题。据统计，每年有5～10万吨石油产品通过泄漏、工业和城市垃圾、炼油和船舶等途径进入环境中，这将导致大气中CO2、碳氢化合物、NOx、SOx等有害气体增加，严重影响人类呼吸系统和神经系统，并对动植物产生巨大危害。酸雨正是这些大气污染物造成的[166]。在工业中，润滑剂是导致这些严重问题的因素之一，大多数润滑剂都是含有各种添加剂的矿物油，它们的使用与排放，会对环境产生负面影响，并且通常它们需要较高的降解温度，能保持很长时间不被水解(如对水的污染长达100年)，因此，绿色摩擦与润滑是未来工业必须要面对和解决的问题。

绿色摩擦与润滑实现的方法主要有三种。一是选取生物降解快、热稳定和抗氧化性能好的植物油种类，例如辣木油，由于里面含有74%的油酸，能大大改善其氧化稳定性，与一般食用油比起来，又具很强热稳定性能，因此可作为高温设备润滑剂。SHARMA等[167]报道的一种离子化植物油(即辣木油)，可作为耐高温润滑剂，改善润滑性能，并且由于其在摩擦副表面吸附了一层很厚的弹性保护膜，故还能降低磨损，提高工作载荷和压力，可用在发动机的死点、轴承低温启动、涡轮机推力轴承启动、高精密机床上导轨、火车轴向导轨、液压减振器、减速器、金属切削等方面[168]。二是一些生物水基润滑剂，其主要成分是水，真正起调控润滑作用的是其他含量较低的成分。例如，XU等[169]报道的芦荟液具有原始植物润滑剂的摩擦学特性，其实验结果表明芦荟液膜厚变化规律不符合传统弹流润滑理论，但符合薄膜润滑理论，实验测得其摩擦因数为0.04左右。这是因为植物液体中的多糖成分具有很强的亲水性，能够形成水合层，在摩擦过程中，实际发生剪切的是水合层，从而降低摩擦[170]。ARAD等[171]对红藻中提取的多糖物质进行了研究，发现这种多糖黏液在20～70 ℃范围内都可保持稳定，且其摩擦因数可达0.003。LI等[172]自主搭建测量系统，对莼菜黏液进行润滑特性研究，根据摩擦自锁原理，测得摩擦因数可达0.005并保持稳定，如图30所示，对黏液成分进行表征，证明其起润滑作用的是纳米片状多糖凝胶。之后，LIU等[173]在柱-环的线接触旋转式摩擦磨损试验机上对莼菜黏液进行了摩擦学特性测试，发现其摩擦因数仍可达到0.004～0.006，并建立了相应润滑模型，如图31所示，推断多糖吸附层结构与氢键形成的易剪切水合层是产生超低摩擦因数的主要原因。

还有一些学者对绿色润滑添加剂引起的润滑问题进行了研究，如ZHAO等[174]提出一种新的热还原氧化石墨(SA-tRGO)的合成方法，制备了石墨烯添加剂，显示出的层状结构没有明显褶皱和起皱现象，具有优异的摩擦学性能，如图32所示，即使在较高的载荷(1.86 GPa)下，其摩擦因数和磨损率也分别能降低30%和75%。该合成方法比较简单，具有很大的工业化潜力。他们还研究了剥离法制备的不同层数和层间距石墨烯添加剂的润滑性能，如图33所示[175]，发现剥离程度高的添加剂在摩擦作用下向有序化转变，具有较好的润滑性能，而剥离程度低的添加剂表现出明显的结构缺陷和较高的摩擦性能。因此，原始剥离程度对石墨烯的结构演化起着关键作用，通过物理纳米结构向有序化甚至石墨化转变，可以获得优异的润滑性能。对于具有同样层状结构的其他材料，如针对MoS2，ZHAO等[176]发现在光滑表面和高温条件下，添加MoS2纳米片进行化学吸附和形成“有效固体润滑剂”时，摩擦因数可降低到0.04，而多层石墨烯由于团聚和晶体缺陷而表现出相对不稳定的摩擦学性能，如图34所示，结果表明，MoS2纳米片具有较好的应用价值。

7 摩擦学测试方法

微观摩擦能量耗散与超滑研究的核心问题之一就是测试技术，现在商用的仪器无论在测量功能还是精度要求上均无法满足其要求，因此，开发新的摩擦学测试技术是近几年研究的热点。在此介绍AFM摩擦因数高分辨率技术、双模态AFM方法探测表面摩擦耗能和探针振动诱导实现的超滑。

7.1 AFM摩擦因数高分辨率技术

西南交通大学钱林茂课题组基于光杠杆原理建立了摩擦因数测量普适模型，通过理论建模、有限元仿真和实验验证，对微悬臂梁测量系统进行一系列创新性设计，将微观摩擦因数分辨率从目前的10-3提高至5×10-7量级。首先，以矩形微悬臂梁作为设计基础，基于薄板弹性力学和材料力学理论，对微悬臂梁测量系统进行优化设计，将微观摩擦因数分辨率提高至5×10-5量级(见图35a)。在此基础上，提出异形横截面(包括口形、工形、H形、倒T形和U形)微悬臂梁探针设计方法。通过理论计算、有限元仿真等设计获得U形横截面微悬臂梁探针，并采用聚焦离子束切割等方法加工出相应探针，经标定其微观摩擦因数分辨率可进一步提高至5×10-7量级(见图35b)。在保证摩擦因数分辨率的同时，优化U形悬臂梁的受力分布并提高其结构强度，提出了9肋光栅形横截面悬臂梁量探针的设计方案。通过理论计算、有限元仿真分析保证其摩擦因数分辨率在5×10-7量级，结构强度相较于U形悬臂梁提高近一倍(见图35c)。

7.2 双模态AFM探测表面摩擦能耗

双模态测试方法[177]是在普通动态AFM方法之上创造出的一种可以同时测量样品表面形貌、成分以及其他特性信息的便捷方法。具体方法是：实验扫描中，激励微悬臂梁前多个振动模态，在反馈检测回路中，通过测量不同模态信号的幅值、频率以及相位来计算微悬臂梁针尖与样品表面的相互作用情况。雒建斌课题组师帅等[178-179]通过激励微悬臂梁前两阶挠曲振动模态来获得更高的力与图像分辨率，并且分辨出动态接触、非接触作用区域以及法向能量耗散信息；该课题组谭新峰等[180]通过激励出微悬臂梁扭转振动模态，使探针在表面产生切向运动，通过测量不同高度的切向振动信号；来实时获得针尖与样品表面摩擦能量耗散信息。同时通过光热激励与压电激励方法对比，发现在光热激励下更易发现微悬臂梁振动模态频率，响应频谱噪声小，而且通过移动激光斑点位置可以激发出微悬臂梁扭转振动模态[181]。

图36所示[181]为一种同时激励微悬臂梁一阶弯曲和扭转本征振动的双模态方法，用于检测聚苯乙烯(PS)和低密度聚乙烯(LDPE)聚合物共混物尖端和聚合物共混物之间的对比度、面外和面内耗散(弯曲和扭转耗散)。

由相位和振幅信息得到的耗散功率可以用来描述针尖和样品表面之间的耗散相互作用，它们是针尖样品相互作用与速度的卷积。他们在不同的设定值下记录了法向挠曲和横向摩擦能量耗散与针尖样品距离的空间位置关系，图37[181]显示了不同设定值比率下的截面能量耗散分布。图37a示出了PS(深色区域)和LDPE(亮圆形区域)的相位图像；图37b所示为设定值振幅54 nm(自由振幅A01=123 nm)处的横截面法向挠曲耗散分布；图37c所示为设定值振幅为6.5 nm(A01=65 nm)时的横截面扭转耗散分布；图37d～图37f所示为A01分别为254 nm、123 nm、65 nm处的纵向截面法向挠曲耗散分布；图37g～图37i所示为A01分别为254 nm、123 nm、65 nm处的纵截面扭转摩擦耗散分布。在图37d～图37i中，PS和LDPE上的针尖-样品相互作用不同，特别是在扭转耗散方面。可视化能耗并不是区分这两种材料的严格方法，但可以直观地看到一些差异。例如，在65 nm的小自由振幅下，两种材料的法向挠曲耗散功率非常接近，特别是在低设定值范围内。它确实显示了图37f中不存在差异，但是，在PS和LDPE之间可以观察到图37d和图37e中的微小差异。PS的法向挠曲耗散功率大于LDPE的法向挠曲耗散功率。研究还发现，在长距离(大的设定值振幅)时，一阶法向挠曲耗散一般大于短距离时的耗散，但如果距离太远，耗散的能量也会降低。在图37g～图37i中，横向摩擦耗散的差异更大一些，因为可以清楚地看到PS和LDPE之间的边界。研究可以得到，横向摩擦能量耗散与样品组分以及性质有关，同样设定振幅值，模量小的样品的摩擦能量耗散会更高一些，而且摩擦能耗可以更容易分辨出两种不同样品。

7.3 振动调制摩擦

2006年，SOCOLIUC等[182]首次提出了一种由外部条件引起的超滑机制，他们在用AFM扫描离子晶体时给导电探针施加电压，发现当施加电压在某些频率值时，摩擦能量消耗几乎消失。RIEDO等[183]在云母上滑动时对悬臂支架施加横向振动，当滑动速度低于临界值时，共振频率周围的平均摩擦力减小。调整滑动速度和热激励也可以用来减少摩擦力。师帅等观察到一种新的超滑现象，如图38所示，他们在扫描陶瓷管中加入正弦电压信号，实现了针尖振动和压电扫描管运动的叠加，从而实现了可控超滑。这种新方法被称为振荡诱导超滑(OIS)。

两个接触体的运动被外部振动调制在明确的频率上;在本实验中，高取向热解石墨(HOPG)表面可以通过振动诱导达到超滑状态。师帅等研究了Z向调制振幅和频率对石墨表面摩擦的影响,频率分别为1.0 kHz、2.5 kHz、5.0 kHz、10.0 kHz、30.0 kHz、61.7 kHz和100 kHz，振幅范围为 0～17 nm。图39显示了不同振幅和频率的探针在HOPG表面滑动引起的摩擦曲线。结果表明，在不同调制频率下，摩擦因数随振幅的增大而迅速减小，在0.5 nn处趋于平缓;当频率为5 kHz时，摩擦力减小最快。他们研究了平均摩擦力与振荡诱导超滑(OIS)振幅和频率的关系,并研究了OIS的作用机理。

同样，他们在HOPG表面上对法向力与摩擦力的关系进行了实验研究。图40显示了扫描速度为1 Hz，Z向振动调制频率为1 kHz，不同调制幅度下摩擦力随法向振动调制振幅的变化。通过拟合各调制幅度的离散点，得到材料摩擦因数，发现在大振幅下，摩擦力可以显著减小，摩擦因数可以达到10-4量级，实现了振动调制超滑。

8 结论与展望

润滑学科与润滑技术的发展离不开人类社会生产生活的需要。由于化石能源不可再生，润滑学科需要有新的突破口来支撑未来长久的发展，其中超滑技术由于其超低摩擦因数与零磨损工况，将为未来工业进步与社会发展提供重要动力源。而关系人类生命健康的生物润滑在老龄化日益严重的今天，也将发挥愈加重要的作用，包括人工关节、人工牙齿、人造心脏瓣膜等容易损伤的重要部分。纳米润滑在研究润滑的微观机理上起了带领作用，而且与超滑密切相关。这些领域将会在未来10年中得到迅速发展，但还需要解决以下问题：①超滑的本质是什么？如何把超滑推向工业应用;②摩擦中能量耗散来源与去向，如何在线调控能耗过程;③纳米润滑添加剂如何做到绿色环保;④在极端工况(深海，超高温，超高真空10-9 Pa下等)如何有效润滑;⑤智能润滑在工业中的应用;⑥摩擦噪声与润滑液污染问题如何解决;⑦人工器官、人工关节等摩擦润滑问题;⑧超精密摩擦检测装备，如何在线测量摩擦力与能量耗散。今后10年中，润滑技术将在新能源汽车、风力发电机组、飞机、海洋等领域发挥更为重要的作用。

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