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近日，中國科學院蘭州化學物理研究所先進潤滑與防護材料研究發展中心馮大鵬研究員團隊從液體超滑的本質因素出發，利用質子型離子液體在多元醇水溶液體系中的水合離子化作用以及羥基化氮化硼納米片（HO-BNNs）表面拋光、自修復作用，首次實現了高應用載荷（> 196 N）、高轉速（> 0.557 m/s）、點對點接觸形式下鋼/鋼界面間的宏觀液體超滑，摩擦系數低至0.004（圖1）。該超滑體系具有優異的耐腐蝕性，可拓展至其他多元醇水溶液體系。

研究人員通過階段性實驗揭示了超滑行為實現過程中潤滑狀態的演變趨勢，即從邊界潤滑到混合潤滑狀態的轉變。通過對摩擦試驗后摩擦膜、磨屑表面形貌和特征元素的組成進行分析，在理論計算超滑體系中金屬基底、陰陽離子、水、乙二醇和HO-BNNs等不同分子間相互作用的基礎上，揭示了其宏觀超滑機理，即基于離子液體的強吸附作用，在金屬摩擦副基底形成了穩定的吸附層，跑和期分散了摩擦副之間的接觸應力，從而實現了超滑。

圖1. 質子型離子液體復合羥基化氮化硼納米片的宏觀液體超滑行為

該研究成果以“Macroscale superlubricity achieved via hydroxylated hexagonal boron nitride nanosheets with ionic liquid at steel/steel interface”為題發表在Friction上，并入選封面文章（圖2, Friction, 2022, 10(9): 1365–1381）（DOI: https://doi.org/10.1007/s40544-021-0545-x），獲中國發明專利授權（ZL 202110317065.9）1項。

圖2. 入選Friction封面文章

隨后，研究人員從實際應用的角度出發進行體系簡化，在單獨添加離子液體的條件下誘導多元醇水溶液實現了更高載荷和轉速（300 N，0.653 m/s）的超滑行為，摩擦系數約為0.006。同時，系統研究了體系中ILs結構、添加劑濃度、工況條件、多元醇種類、水醇比和潤滑狀態變化對超滑行為的影響規律，分析了不同ILs在金屬基底表面的吸附特性，提出了超滑過程中摩擦副之間形成的多層潤滑膜結構，包括吸附Stern層、氫鍵網絡結構層和剪切層。超滑行為的實現源于質子型離子液體的水合離子化作用、適宜的氫鍵網絡結構、跑合期和摩擦化學反應膜之間的協同作用。

圖3. 質子型離子液體誘導多元醇水溶液的超滑行為及機理示意圖

該研究成果以“Insight into Macroscale Superlubricity of Polyol Aqueous Solution Induced by protic Ionic Liquid”為題發表在Friction上（DOI: https://doi.org/10.1007/s40544-021-0563-8），獲中國發明專利授權（ZL 202110664900.6）1項。

該研究工作開發的水基宏觀超滑體系具有綠色環保、性能優異、降低能耗的優勢，有望將其作為金屬切削潤滑液應用于金屬加工制造領域，并為超滑體系的開發和工業化應用提供新的思路。

鄭治文博士為論文第一作者，馮大鵬研究員和喬旦副研究員為通訊作者。

以上研究工作得到了中科院青促會的支持。

參考資料：http://www.licp.cas.cn/sy2018/xwdt/kydt/202206/t20220610_6459616.html