科学家发明的新型涂层可降低摩擦力100倍，减少超万亿美元损失

6月7日，美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科学家们宣布发明出新涂层，可以显著减少普通承重系统与运动部件的摩擦，包括汽车传动系统和风力和水力涡轮机。该涂层至少可将钢材与钢材的摩擦力降低一百倍。新ORNL涂层可以帮助美国减少每年因摩擦和磨损而损失的1万多亿美元，相当于美国国民生产总值的5%。

“当部件相互滑动时，就会产生摩擦和磨损，”ORNL表面工程和摩擦学小组负责人曲俊（Jun Qu）说。摩擦学，来自希腊单词摩擦，是相互作用的表面在相对运动的科学和技术，如齿轮和轴承。“如果我们减少摩擦，我们就能减少能源消耗。如果减少磨损，我们就可以延长系统的使用寿命，从而获得更好的耐用性和可靠性。”

曲俊与ORNL的同事Chanaka Kumara和Michael Lance在《今日纳米材料》上发表了一项研究，研究了一种由碳纳米管组成的涂层，可以为滑动部件提供超润滑性。超润滑性是指几乎不显示任何滑动阻力的特性；其标志是摩擦系数小于0.01。相比之下，当干金属相互滑动时，摩擦系数约为0.5。使用油性润滑剂时，摩擦系数降至0.1左右。然而，ORNL涂层将摩擦系数降低到0.001，远低于超润滑的临界值。

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“我们的主要成就是我们使超润滑在最常见的应用中成为可能，”曲俊说，“以前，你只能在纳米尺度或特殊环境中看到它。”

为了这项研究，Kumara在钢板上种植了碳纳米管。通过一种叫做摩擦计的机器，他和曲让这些板相互摩擦，产生碳纳米管的刨花。

多壁碳纳米管包覆在钢表面，抵抗腐蚀性湿气，并起到润滑剂储层的作用。当它们第一次沉积时，垂直排列的碳纳米管像草叶一样站在表面。当钢铁零件相互滑动时，它们实际上是在“割草”。每个叶片都是中空的，但由多层石墨烯制成，石墨烯是一种原子薄的碳片，排列在相邻的六边形中，就像铁丝网一样。剃须过程中断裂的碳纳米管碎片重新沉积在接触面上，形成一层富含石墨烯的摩擦膜，将摩擦减少到几乎为零。

制造碳纳米管是一个多步骤的过程。“首先，我们需要激活钢表面，以产生纳米级的微小结构。其次，我们需要提供碳源来生长碳纳米管。”他加热了一个不锈钢圆盘，使其表面形成金属氧化物颗粒。然后，他使用化学气相沉积法将碳以乙醇的形式引入其中，这样金属氧化物颗粒就可以一个原子一个原子地以纳米管的形式将碳固定在那里。

这种新型纳米管只有在被破坏后才能提供超润滑。“碳纳米管在摩擦中被破坏，但成为一种新的东西，”曲俊说，“关键是那些断裂的碳纳米管是石墨烯片。这些石墨烯片被涂抹并连接到接触区域，成为我们所说的摩擦膜，这是在此过程中形成的涂层。然后两个接触面都被一些富含石墨烯的涂层覆盖。现在，当它们相互摩擦时，石墨烯就会粘在石墨烯上。”

即使是一滴油的存在对于实现超润滑也是至关重要的。“我们试过不加油;它没有起作用，”曲俊说，“原因是，没有油，摩擦去除碳纳米管的作用太大了。那么摩擦膜就不能很好地形成或存活很长时间。这就像一个没有油的引擎。它在几分钟内就会冒烟，而一个有油的可以很容易地使用几年。”

ORNL涂层优越的光滑性具有持久力。在超过50万次的摩擦循环测试中，超润滑性持续存在。库马拉连续测试了三个小时，然后是一天，后来是12天。“我们仍然拥有超强的润滑性，”他说，“这是稳定的。”

库马拉用电子显微镜检查了割下的碎片，以证明摩擦磨损切断了碳纳米管。为了独立证实摩擦缩短了纳米管，ORNL的合作者Lance使用了拉曼光谱，这是一种测量振动能量的技术，振动能量与材料的原子键合和晶体结构有关。

“摩擦学是一个非常古老的领域，但现代科学和工程提供了一种新的科学方法来推进这一领域的技术，”曲俊说，“直到近20年摩擦学获得新生之前，人们对摩擦学的基本认识一直很浅。最近，科学家和工程师真正走到一起，使用更先进的材料表征技术-这是ORNL的优势。摩擦学是非常多学科的。没有人是万事通。因此，在摩擦学领域，成功的关键在于合作。”

他补充说：“在某个地方，你可以找到一个专门研究碳纳米管的科学家，一个专门研究摩擦学的科学家，一个专门研究材料表征的科学家。但他们是孤立的。在ORNL，我们在一起。”

ORNL的摩擦学团队已经完成了屡获殊荣的工作，吸引了工业合作伙伴和许可。2014年，由ORNL、通用汽车、壳牌全球解决方案和路博润共同开发的一种用于节油发动机润滑油的离子抗磨添加剂获得了R&D 100大奖。ORNL的合作者是Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West和Bruce Bunting。美国能源部能源效率和可再生能源办公室的车辆技术办公室(EERE)赞助了这项研究。

同样，本文中描述的工作是2020年R&D 100奖的决赛选手。研究人员已经为他们的新型超润滑涂层申请了专利。

他说：“接下来，我们希望与工业界合作，向美国能源部提交一份联合提案，以测试、成熟和许可这项技术。”“在未来十年，我们希望看到改进的高性能车辆和发电厂，减少摩擦和磨损造成的能量损失。”

这篇论文的题目是“牺牲碳纳米管涂层的宏观超润滑”。ORNL的实验室指导研究和开发种子计划为概念验证工作提供了初步支持。随后，美国能源部EERE的太阳能技术办公室和汽车技术办公室支持了后续研究。

UT-Battelle为美国能源部科学办公室管理ORNL，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。科学办公室正在努力解决我们这个时代的一些最紧迫的挑战。（涂界）

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