清华大学机械系摩擦学国家重点实验室何永勇课题组在Cell旗下物质学子刊《Cell Reports Physical Science》上发表论文“Coupling effect of boundary tribofilm and hydrodynamic film”，从边界润滑膜和动压润滑膜的耦合作用行为角度，首次系统地解释了液体润滑界面摩擦和磨损性能的逆相关现象，澄清了边界润滑膜与动压润滑膜的内在耦合机理，提出了二者的耦合模型。这项研究对于摩擦理论研究，尤其是正确理解摩擦和磨损的本质关系以及界面润滑系统的可控设计具有重要的学术和技术价值。

研究发现，相同实验条件下，脂相润滑状态的石墨烯和六方氮化硼的摩擦系数显著低于二硫化钼和二硫化钨（抗摩擦性能更优越），但石墨烯和六方氮化硼对应的磨痕深度却显著大于二硫化钼和二硫化钨（抗磨损性能更差）。这种非常有趣的摩擦和磨损的逆相关特性，引发了研究人员关于两个基本问题的思考。一是从磨损的角度思考，为什么二硫化钼和二硫化钨对应的摩擦系数更大，但磨损却更小？二是从摩擦的角度思考，磨损是摩擦的重要起源，石墨烯和六方氮化硼的磨损情况更严重，为什么其摩擦系数却更小？

图1 石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨四种二维材料的摩擦学性能。石墨烯和六方氮化硼的摩擦系数显著低于二硫化钼和二硫化钨，但磨痕深度却显著大于二硫化钼和二硫化钨。

液体润滑界面的摩擦域主要有边界润滑膜和动压润滑膜组成，两种膜的耦合作用主导了界面的抗摩擦和抗磨损性能。研究发现，二硫化钼和二硫化钨的边界润滑膜厚度大约为200~250纳米；而石墨烯和六方氮化硼的边界润滑膜厚度大约为30~60纳米。尽管二硫化钼和二硫化钨的摩擦系数较高，但超高鲁棒性的边界润滑膜保证了其具有优越的抗磨损性能。在机械应力和摩擦热的诱导下，二硫化钼和二硫化钨纳米片层在润滑界面发生摩擦化学反应。硫原子与摩擦界面铁原子之间形成共价键，产生铁的硫化物和铁的硫酸盐，极大增强二硫化钼和二硫化钨纳米片层在界面的粘附特性，由此增强摩擦界面边界润滑膜的鲁棒性。

图2 AIS和XPS联合定量测量边界润滑膜厚度。

研究人员进一步通过实验和计算流体动力学（CFD）仿真手段探究界面摩擦域的动压润滑膜行为。在液体润滑状态下，界面的摩擦力主要来源于两方面，一是界面粗糙峰的接触（磨损），二是来源于润滑介质的内部剪切力（黏滞阻力）。研究发现石墨烯和六方氮化硼的动压膜厚度显著小于二硫化钼和二硫化钨。动压润滑膜流速随着膜厚降低而增大，于是石墨烯和六方氮化硼显著增强润滑脂的剪切稀化现象，其对应的动压润滑膜具有更低的粘度，有粘滞阻力产生的摩擦力更小。

图3 二维材料对动压润滑膜厚度、流速和粘度的影响。

论文第一作者为机械工程系2021级博士生金宝，通讯作者为清华大学机械系摩擦学国家重点实验室何永勇研究员和北京化工大学赵军副教授。论文工作得到国家自然科学基金项目（51905027）、国家重点研发计划项目（973项目）（2014CB046404）和摩擦学国家重点实验室摩擦学科学基金（SKLTKF18A02）支持。

论文信息：

Bao Jin, Guangyan Chen, Jun Zhao, Yongyong He, Yulong Li, Jianbin Luo, Coupling effect of boundary tribofilm and hydrodynamic film, Cell Reports Physical Science, 2022, 100778.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100778

期刊简介：

《细胞报道物理科学》（Cell Reports Physical Science）是Cell Press出版集团推出的物质学领域高影响力综合子刊，旨在发表物理、化学、能源科学、材料科学以及交叉学科领域中的重大前沿研究进展。