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 Si₃N₄ 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Si₃N₄/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。

总结：总之，本研究开发了一种新型材料，包括半固态超SNWs及其与基础油形成的凝胶，在Si₃N₄/PTFE界面实现了宏观超润滑，填补了固体与液体超润滑的空白。SNWs实现超润滑的磨合时间仅约39秒，显著减少了磨损，并在连续摩擦12小时后保持稳定的超润滑状态。超润滑性能来源于吸附膜的形成、SNWs的剪切稀化三维网络结构以及流体动力效应。SNWs在受力时降低粘度，减少内部摩擦并提升润滑效率。此外，SNWs能将基础油转化为凝胶润滑剂，有效解决渗漏问题。这些特性为润滑技术的发展提供了高效、实用的解决方案，具备广泛的工业应用潜力。