科研進展
蘭州化物所智能潤滑研究取得新進展
智能材料作為材料科學的革命性前沿，核心在于賦予材料感知、響應及自調節(jié)的“生命特征”，是高端裝備的變革性基石。其中，智能潤滑材料通過實時感知摩擦學狀態(tài)變化（如載荷、溫度），主動釋放潤滑劑或改變表面結構，在極端工況下實現(xiàn)按需潤滑與損傷自修復，是實現(xiàn)從被動維護到主動防控的重大跨越，對突破高端裝備的可靠性瓶頸、降低能耗與碳排放、保障國家重大工程和綠色發(fā)展戰(zhàn)略具有深遠意義。
近期，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創(chuàng)新中心磨損與表面工程課題組研究人員設計了一種Cu/C復合薄膜智能潤滑新材料，實驗證據(jù)表明其具有類生命體特征的“感知響應-決策調控-修復”的智能潤滑行為，并與武漢大學歐陽穩(wěn)根教授團隊合作，結合理論模擬和實驗揭示了其中摩擦熱驅動Cu納米團簇固-液轉化、毛細管力牽引逐級遷移以及界面催化有序碳結構潤滑的智能循環(huán)反饋機制。該系統(tǒng)表現(xiàn)出更高級的智能程度，一方面不需要額外的激發(fā)源，只需摩擦熱副產物；另一方面可根據(jù)摩擦狀態(tài)預先決策，按需潤滑補充。同時該材料體系是一種全固態(tài)材料，具有更佳的力學和熱穩(wěn)定性，這為智能潤滑設計提供了全新思路。
在摩擦過程中同步實時監(jiān)測了摩擦系數(shù)、接觸電阻及金屬釋放量的變化（圖1）。在初始摩擦階段，摩擦系數(shù)較高（0.2以上），伴隨著金屬大量的遷移（電阻信號的波動和金屬原子釋放）；隨后摩擦系數(shù)降低至較低水平（約0.05），進入自調節(jié)潤滑階段，根據(jù)摩擦狀態(tài)的輕微變化，金屬遷移微量補充；然后步入穩(wěn)定階段，摩擦系數(shù)非常平穩(wěn)，金屬幾乎不發(fā)生補充；當更換一個新的對偶球后，潤滑狀態(tài)破壞，金屬遷移快速發(fā)生，迅速完成潤滑修復，再次重復上述循環(huán)過程，表現(xiàn)出像生命特征一樣的“感知響應-決策調控-修復”的智能潤滑行為。
實驗結合理論模擬結果（圖2）表明，Cu納米團簇由于小尺寸效應具有低的熔點，摩擦熱可驅動Cu納米團簇發(fā)生固-液相變，然后受到Laplace梯度壓力驅動沿薄膜內部晶界孔道向表面遷移。摩擦熱隨深度呈現(xiàn)梯度分布，而Cu納米團簇隨尺寸增加展現(xiàn)出更高的熔點，所以Cu原子由薄膜內部向表面遷移過程中，不斷發(fā)生著“固-液-固”相變，自發(fā)形成了尺寸梯度分布，沿著狹窄的納米孔道逐級向表面移動。這種逐級遷移的機制賦予其智能決策調控的能力，實現(xiàn)按需潤滑補充，可快可慢。同時體相內金屬團簇大多時間以固態(tài)形式存在，有效維持了薄膜優(yōu)異的力學性能。原位加溫透射電鏡觀測（圖3）表明，Cu納米團簇周圍可催化形成有序碳球狀結構來實現(xiàn)潤滑。密度泛函理論計算（DFT）揭示了催化機制，Cu與鄰近的C原子之間形成不穩(wěn)定的反鍵，使碳網(wǎng)絡結構松散、鍵合強度變弱，在摩擦引起熱振動過程中促進C-C鍵的斷裂，進而形成熱力學上更穩(wěn)定的sp2C。
綜上，Cu/C薄膜展現(xiàn)出智能潤滑循環(huán)反饋機制（圖4）。初始，高摩擦產生大量摩擦熱，驅使薄膜內部的Cu納米團簇液化并向表面遷移，在摩擦界面催化形成有序碳潤滑結構，達到潤滑狀態(tài)，摩擦熱驅動金屬遷移終止。當潤滑狀態(tài)有不能維持的趨勢時，摩擦熱副產物再次驅動金屬遷移，循環(huán)調控?；诖?，微米量級的Cu/C薄膜在真空環(huán)境中實現(xiàn)了超低摩擦系數(shù)（約0.04）和超長耐磨損壽命（超過40千米），有效解決了碳膜材料長期以來真空潤滑壽命短的領域難題。
相關研究成果以“An intelligent feedback loop for sustaining self-lubrication and wear resistance”為題發(fā)表在Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-026-73957-6）上。蘭州化物所康富燕博士生、武漢大學鄧仕林博士生和蘭州化物所李畔畔助理研究員為論文共同第一作者，蘭州化物所吉利研究員、李紅軒研究員和武漢大學歐陽穩(wěn)根教授為共同通訊作者。
該工作得到了中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項、國家自然科學基金和中央高?；A科研基金等項目的支持。?
圖1.Cu/C復合薄膜的智能潤滑行為
圖2.摩擦熱驅動Cu納米團簇相變與遷移
圖3.Cu納米催化有序碳結構原位形成與機制
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圖4.Cu/C復合薄膜智能潤滑反饋循環(huán)機制和超長壽命真空潤滑性能
