前言

在人类的日常生活和工业化进程中，不必要的摩擦磨损现象造成了巨大的能源损耗和材料损失。在发达的工业化国家，每年因此造成的财产损失约占国民生产总值的5%–7% [1–3]。与发达国家相比，我国单位GDP的能源消耗值更高（约为发达国家平均水平的2.1倍），整体的机械装备平均使用寿命更短，低端高耗能装备制造仍占主导地位，导致我国面临严峻的资源浪费问题。因此，以提高能源效率为目标，提升良好的润滑系统，进而发展现代工业革命已成为迫在眉睫的挑战。

在1990年，日本学者Hirano 和Shinjo提出了一种理想的接近“零摩擦”的状态—超滑（Superlubricity），即该状态下的摩擦和磨损可以忽略不计[4]。如图1所示，目前超滑的定义是指滑动摩擦系数为0.001量级的润滑状态。此外，在宏观上准确测量小于0.001的摩擦系数值仍然是一个重大挑战。因此，目前在众多科学研究中，吸引人们关注的话题莫过于如何将不必要的摩擦力降到最低，甚至是实现超滑。在过去的三十年中，随着测量技术和方法的发展，超滑的理论基础和实验结果都在各种尺度上不断创新和发现。

图1 超滑范围内的摩擦系数。

超滑与润滑添加剂

目前，已经广泛报道了基于两种不同润滑材料可获得超滑性能的方法，按照材料的种类通常分为固体和液体超滑两类。在微米或纳米尺度获得的固体超滑特性，被认为是两个滑动表面在特定条件下具有极低的相互作用[5]。当晶格完整的二维材料处于非公度状态时，其层间摩擦力在一定条件下会急剧减小。然而，相较于实现固体超滑的苛刻要求，液体超滑在宏观尺度中更容易被实现。最近几年广泛报道了对该课题的研究，例如水基陶瓷润滑，聚合物分子刷润滑和多羟基水溶液[6–8]。由于可以在宏观尺度大气环境条件下实现液体超滑，因此在实际工业生产条件下具有更广泛的应用前景。

此外，工业生产过程中通常使用不同种类的润滑添加剂以起到减少摩擦、降低磨损的效果，进而能够提高生产效益、延长部件使用寿命、提升能量传递效率。近些年来，纳米二维材料由于其特殊的理化性能和结构，吸引了研究学者极大的关注，相较于普通纳米颗粒而言可以更大概率地进入接触区，从而在润滑添加剂领域被广泛研究与应用。随着化学合成方法以及表征手段不断改进，诸多纳米二维材料被成功地运用到了摩擦学研究中。

综述论文

鉴于以上研究现状，清华大学摩擦学国家重点实验的科研工作者将纳米二维材料作为添加剂均匀分散到润滑介质中，研究其摩擦学性能及润滑机理，并在超滑领域取得了一系列研究成果。近日，相关综述论文《Superlubricity achieved with two-dimensional nano-additives to liquid lubricants》发表在《Friction》期刊第8卷第6期，并被遴选为封面文章，如图2所示。该论文第一作者为王鸿栋博士，通讯作者为刘宇宏副教授。

图2 《Friction》期刊2020年第8卷第6期封面。

该综述着重介绍了纳米二维材料添加剂与多种水基润滑液结合从而实现超滑的最新研究，其中添加剂涵盖了黑磷（black phosphorus，图3(a)），氧化石墨烯（graphene oxide，图3(b)）和层状双金属氢氧化物（layered double hydroxide，图3(c)）等材料。在各类超滑系统中，通过宏观摩擦磨损实验和微观原子力显微镜等测试分析，阐明了纳米二维材料添加剂与固体摩擦副表界面处的多种相互作用，具体可以归纳为摩擦化学反应、物理阻隔、吸附增强以及耐磨性提升等方面。复合润滑液的应用有效地提高了该润滑体系的实际承载能力（最高可达约600 MPa），减少磨损的同时可显著缩短液体超滑系统的磨合周期（1000 s以内）。该综述为纳米二维材料在液体超滑系统中的实际应用提供了良好的参考价值。

图3 (a) 黑磷、(b)氧化石墨烯和(c)层状双金属氢氧化物在超滑体系中的应用。

目前而言，对超滑材料的深入挖掘、对超滑过程作用机理以及调控机制的深层次探索将推动超滑体系的进一步完善，对解决超滑在工业化应用中的关键问题具有重要的理论参考价值和实践参考意义，进而为前沿领域精密机械结构的性能提高、寿命延长带来强有力的技术支撑和切实可行的解决方案。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40544-020-0410-3

参考文献

[1] Perry S S, Tysoe W T. Frontiers of fundamental tribological research. Tribology Letters, 2005, 19(3): 151～161.

[2] 温诗铸, 黄平. 摩擦学原理 北京: 清华大学出版社, 1990.

[3] Holmberg K, Erdemir A. Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction, 2017, 5(3): 263–284.

[4] Hirano M, Shinjo K. Atomistic locking and friction. Physical Review B, 1990, 41(17): 11837～11851.

[5] Berman D, Erdemir A, Sumant A V. Approaches for Achieving Superlubricity in Two-Dimensional Materials. ACS Nano, 2018, 12(3): 2122～2137.

[6] Xu J, Kato K. Formation of tribochemical layer of ceramics sliding in water and its role for low friction. Wear, 2000, 245(1): 61～75.

[7] Klein J, Mahalu D, Fetters L J, et al. Reduction of frictional forces between solid surfaces bearing polymer brushes. Nature, 1994, 370(6491): 634～636.

[8] Li J, Zhang C, Luo J. Superlubricity Achieved with Mixtures of Polyhydroxy Alcohols and Acids. Langmuir, 2013, 29(17): 5239～5245.