近日，高端装备界面科学与技术全国重点实验室李津津副教授团队在宏观尺度固液协同超润滑新体系的设计上取得重要进展。相关成果以“Macro‐Superlubricity Induced by Synergistic Effect of Molybdenum Carbide/Molybdenum Disulfide Heterojunction and Conformation‐Transformable Ethylene Glycol Molecule”为题发表在Advanced Materials期刊上。该项研究提出了一种由固体碳化钼/二硫化钼异质结（Mo₂CT_x/MoS₂）与构象可转换的液体乙二醇分子（EG）组成的固液协同润滑体系，并成功实现了在宏观尺度下能够兼具高承载、低磨损和超长服役寿命的超润滑状态。此外，该项研究对超润滑状态下由特殊摩擦膜主导的边界润滑机理、乙二醇分子的压力-润滑响应特性以及固体-液体界面相互作用对超润滑行为的影响等方面做了深入的研究与阐释。

研究内容

界面摩擦是机械、航空航天等领域中普遍存在的能量消耗现象。随着现代制造业的不断发展，机械部件经常在高载荷、高温等严苛环境下运行，这导致传统的润滑体系极易进入边界润滑状态，引发高摩擦系数和剧烈磨损，严重缩短设备服役寿命。因此，滑动摩擦系数小于0.01的“超润滑”技术被视为解决该项棘手问题的重要方案。目前，基于二维纳米材料与液体分子构筑的固液协同超润滑体系备受关注。值得注意的是，单一的二维纳米材料在宏观尺度下往往出现减摩或承载能力不足，并且固体与液体之间复杂的协同润滑机制仍不清晰，这极大地限制了新型超润滑体系的设计。

针对上述宏观尺度的超润滑面临的承载力低与机理不明的痛点，本研究提出了一种利用Mo₂CT_x/MoS₂异质结纳米材料与构象可转换的EG分子的协同作用的整体解决方案。其核心思路在于通过引入具有硫空位增强的电子转移特性的范德华异质结纳米材料（图1），以增强固体添加剂在基础润滑剂中的分散性，并与乙二醇液体分子的压力-润滑响应特性相结合，成功在高接触压力下构筑了具有超低剪切强度的固液界面以实现宏观尺度的超润滑，并有效提升了润滑体系的减摩抗磨性能与可靠性。

图1 Mo₂CT_x/MoS₂异质结中的纳米片形貌、元素组分以及电荷转移特性表征

摩擦学实验显示，Mo₂CT_x/MoS₂-EG固液协同润滑体系展现出了卓越的摩擦学性能（图2）。在Si₃N₄/蓝宝石摩擦副上，实现了低至0.0044的超低摩擦系数，磨损率仅为8.17 × 10^-10 mm³·N^-1·m^-1，相比基础润滑剂EG降低了96%以上。尤为重要的是，该润滑体系在711.9 MPa的高接触压力下仍表现出稳健的超润滑性，并且润滑服役寿命可达432,000次循环。Mo₂CT_x/MoS₂-EG固液协同超润滑体系中的摩擦系数与承载性能随着异质结中两种纳米片的质量比与施加法向载荷的独特演化规律引起了研究团队的广泛兴趣（图2(c)–2(e)）。

图2 Mo₂CT_x/MoS₂-EG固-液协同体系宏观的超润滑性能以及长寿命测试

通过对摩擦副表面磨损区域的多尺度表征得出，摩擦诱导分别形成了一层厚约59–103 nm的边界摩擦膜，且其内部存在较多的异质结-同质结共存区域（图3）。并且拉曼分析显示，MoS₂倾向于吸附在SiO₂界面，而Mo₂CT_x则更易与Al₂O₃界面结合，这种“非对称吸附”构筑了一个宏观尺度下的低剪切异质滑移界面（图3 (c)）。与此同时，DFT计算更是进一步验证了上述独特界面吸附特性与低剪切异质界面的结论（图4）。QMC计算则是验证了Mo₂CT_x纳米片的优异力学性能（图4(m)–4(n)）。上述结论共同揭示了纳米片质量比对固液协同体系摩擦学性能的影响（图2(c) –2(d)和图6(d)）。

图3 磨损区域边界摩擦膜的形貌结构与化学成分演变分析

图4 基于分子动力学模拟（DFT）与量子力学计算（QMC）相结合的边界润滑机理的详细阐释

基于拉曼光谱分析，摩擦剪切诱导二硫化钼纳米片表面硫空位缺陷的大幅增加，能有效增强界面吸附特性但也会增加异质界面的滑动能垒。因此上述边界润滑机制无法有效地阐释施加载荷对摩擦学性能的影响规律（图2(e））。值得注意的是，分子动力学（MD）模拟发现，EG分子在压力增加时，其邻式构象比例降低，反式构象比例增加，从而诱导分子排列从无序向层状有序结构转变。这种由氢键网络连接的有序层状流体膜能有效促进边界滑移并能大幅降低固-液界面的摩擦系数（图5(e）–5(l)）。AFM滑移长度测试进一步验证，EG分子在Mo₂C-O表面的滑移长度显著高于MoS₂表面（图5(r)），证实了Mo₂C-O/EG界面具有更低的摩擦阻力，揭示了固液协同实现超润滑的分子级演化过程。

图5 低剪切强度固液界面位置与乙二醇分子的压力-润滑响应特性机制阐述

结合所有摩擦学实验与模拟数据，研究团队构建了完整的超润滑机理模型。在边界润滑区，异质结/同质结纳米片形成的边界摩擦膜通过纳米片之间的晶格失配来降低剪切强度（图6(b)）；在流体润滑区，法向压力与剪切应力共同诱导EG分子构象转变形成的短程有序结构与固液界面边界滑移共同作用（图6(c)），最终在高接触压力下实现了稳健的超润滑状态。该模型系统阐述了纳米材料组分和施加载荷条件对摩擦学性能的影响逻辑，为超润滑体系的扩展设计提供了指导（图6(d) –6(f)）。

图6 Mo₂CT_x/MoS₂-EG固液协同超润滑体系的综合演化机理模型

研究结论

该研究工作通过将高性能二维异质结纳米材料与具有构象可转换特性的液体二元醇分子相结合，成功实现了在宏观尺度下能够兼具高承载、超低磨损和长服役寿命的超润滑状态，有助于为固液协同超润滑新体系的设计提供借鉴思路。

论文第一作者为博士生马晓阳和博士后张瑞，通讯作者为李津津副教授。博士生吴卓霖与董少文、博士后宋伟与杨永丰等共同参与了研究工作。该工作得到国家自然科学基金委和北京市自然科学基金委的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74061