兰州化物所王道爱研究员团队《AM》：基于剪切稀化效应的半固态润滑剂实现宏观超润滑

近期， 中国科学院兰州化学物理研究所 王道爱研究员 团队 基于剪切稀化效应的新型润滑剂成功实现了宏观尺度下的超润滑 。这一研究不仅突破了传统润滑技术的局限性，还填补了固体、液体及固-液复合超润滑之外的半固态超润滑研究空白，为超润滑领域带来了重要进展。相关工作以“Macroscale Superlubrication Achieved with Shear-Thinning Semisolid Lubricants”发表在《Advanced Materials》。

剪切稀化半固体润滑剂实现宏观超润滑

[剪切变稀润滑剂的设计思路]

本文研究了一种基于剪切稀化的全新润滑策略，灵感来自番茄酱、牙膏等日常生活中的非牛顿流体。剪切稀化材料在静止时呈现高粘度，而在受到剪切或搅动时，粘度显著降低，流动性增强。与传统牛顿流体润滑油不同，这类材料在剪切过程中分子发生重新排列，降低内摩擦，剪切停止后粘度恢复。

图1：该图展示了剪切变稀润滑剂的制备思路及其流变特性。

[SNWs的合成与表征]

通过将磷钨酸与硝酸钙溶液混合，再加入十八烯和油胺，制备了半固态SNWs。磷钨酸与硝酸钙通过静电作用结合形成核心结构，十八烯作为分散剂，油胺通过配位和静电相互作用参与SNWs的形成。SEM和TEM结果显示，SNWs具有独特的网络结构，直径约1 nm，长度可达数微米。AFM确认了SNWs的均匀分布和表面形貌，3D图显示表面粗糙度和高度分布一致。FT-IR分析验证了SNWs中C─H、C─N和N─H等化学键的特征振动，并观察到红移现象。XPS分析确认了SNWs的化学组成，检测到O、C、Ca、P、W和N等主要元素及其特征化学键。这些结果表明SNWs已成功合成并具有良好的化学结构和均一性。

图2：SNWs的合成过程、形貌和组成分析。

[SNWs的摩擦学性能]

通过 CSM 摩擦机试验评估，SNWs 在 Si ₃ N ₄ 与 PTFE 摩擦对中的摩擦系数为 0.008-0.009，显著优于干摩擦和传统润滑剂，成功实现超润滑性能，并减少磨损达 88.69%。表面分析显示，SNWs 润滑后的磨痕深度仅 1.8 μm，远低于其他润滑剂。同时，SNWs 在 12 小时内无需补充润滑剂，摩擦系数稳定保持在 0.007，展现出短磨合时间（约 39 秒）和长期稳定的润滑性能，具备广阔的工业应用前景。

图3：该图显示了SNWs优异的减磨抗磨性能。

[SNWs的超润滑机制]

SNWs在剪切速率变化时，SNWs显著表现出剪切稀化特性，低剪切速率下粘度较高，而高剪切速率下粘度显著降低，有助于实现超润滑。XPS分析表明，SNWs在摩擦过程中与PTFE表面发生物理吸附和化学反应，形成以C─N和C─O键为主的吸附膜，增强了抗磨和减摩性能。SNWs的亚纳米直径、高柔性及网络结构有助于在摩擦界面形成稳定的润滑膜，同时降低内摩擦力，促进超润滑实现。此外，SNWs通过多重物理交联增强了结构稳定性和承载能力。结合边界润滑和流体动力润滑机制，SNWs有效降低摩擦和磨损。这些特性使SNWs在工业润滑应用中展现出重要潜力。

图示：SNWs的流变学分析及润滑机理。

[SNWs的应用]

本研究开发了一类新型润滑材料，包括半固态超细SNWs及其与基础油形成的凝胶，成功实现了宏观尺度上的超润滑效果，尤其在Si ₃ N ₄ /PTFE界面表现优异。SNWs通过搅拌与基础油（如PAO6、PAO20）混合后自发形成凝胶，其三维网络结构能够固住基础油并显著提升润滑性能。研究表明，该凝胶无需加热制备，具备低能耗和简单操作的优点，且具有良好的可扩展性。流变测试显示，凝胶在剪切速率增大时表现出剪切稀化特性，有效降低内部摩擦，并在高低剪切速率交替条件下快速恢复，显示良好的抗蠕变能力。在摩擦实验中，SNWs-PAO6和SNWs-PAO20的摩擦系数实现了超润滑水平（0.007–0.008），并在超过13万次摩擦周期内保持稳定，体现其长期应用潜力。

图5：该图显示了SNWs润滑剂的广泛应用，可以制备成一系列SNWs-oils的润滑剂。