工程钢表面上的碳量子点加速宏观超润滑

工程钢表面碳量子点加速宏观超润滑

    摩擦和磨损是普遍存在的机械运动现象，会导致能源消耗和经济损失，研究人员正在努力开发一系列具有抗摩擦和抗磨性能的润滑材料。超级润滑性是指摩擦系数小于0.01，可以实现近零摩擦和近零磨损，是实现碳达峰和碳中和目标的可行策略。基于二维层状材料的固体超润滑性，如二硫化钼、石墨烯、和高取向热解石墨，已被相继报道。不幸的是，实现大多数固体的超润滑通常需要严格的条件，如完美的晶体质量、真空或惰性气氛以及复杂的表面结构。在环境条件下，液体超润滑比固体超润滑更容易实现，这使其成为实际工程应用的一个很有前途的选择。各种液体润滑剂，如离子液体、聚合物刷、多元醇溶液、和酸的水溶液已显示出显著的超润滑性能。尽管如此，这些液体超级润滑剂通常需要很长的磨合期，在达到超级润滑状态之前会导致严重磨损。2D纳米片添加剂，如黑磷、氧化石墨烯、层状双金属氢氧化物、和MXene已被证明可以有效缩短液体超润滑的磨合时间，从而减少由于2D纳米添加剂的层间剪切相互作用较弱或快速吸附到摩擦副表面而导致的摩擦副的不必要磨损。然而，前面提到的所有含有纳米添加剂的液体超级润滑剂在实现超级润滑之前仍然需要很长的磨合期（>300 s），并且上述大多数策略仅适用于惰性和高硬度陶瓷摩擦副，如Si3N4、SiO2和蓝宝石（Al2O3）。在大型机械设备中广泛使用的工程钢表面，在大气条件下实现快速超润滑仍然很困难。因此，寻找用于钢/钢接触的新型超润滑剂，探索加速液体超润滑的机理，对于丰富超润滑的理论和工程应用具有重要意义。

        同时，工程钢表面的宏观超润滑为在工程应用中最大限度地减少摩擦和磨损提供了一种很有前途的解决方案。然而，实现超级润滑通常需要较长的磨合期，这可能会导致摩擦副严重磨损。中科院兰化所青岛研发中心王道爱研究员团队通过使用聚乙二醇（PEG）和柠檬酸（CA）在络合作用下合理设计了一种具有超润滑性能的新型润滑剂，其磨合期约为800s。重要的是，将CA热解获得的碳量子点（CQDs）引入PEG水溶液中，将钢/钢接触之间实现宏观超润滑（µ≈0.005）的磨合期缩短至44 s。由于磨合时间较短，钢盘上相应的磨损率（1.15×10−7 mm3 N−1 m−1）降低了77%。此外，结合分子动力学模拟的表面分析表明，CQD很容易吸附在摩擦副的表面，形成碳膜，降低润滑剂分子和基底之间的相互作用能。这项工作为CQD的润滑机制提供了新的见解，并有助于设计在工程钢表面上具有短磨合期和低磨损率的液体超级润滑剂。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310880