1990年代初期，平壽元久創(chuàng)造了超級潤滑一詞。日本科學(xué)家從理論上預(yù)測存在某種物理狀態(tài)，在某些條件下，兩個接觸表面之間的滑動摩擦實際上消失了。平野使用原子力顯微鏡進行了磨損摩擦研究，該工具可以在原子水平上測量表面?zhèn)认蛄?。研究兩個結(jié)晶固體表面（例如云母）之間的滑動行為，平野超潤滑性：固體潤滑技術(shù)的新紀元？觀察到，當實心尖端旋轉(zhuǎn)到某個角度時，摩擦力將下降到幾乎無法測量的水平。后來，2004年來自德國的馬丁·迪恩維貝爾（MartinDienwiebel）在使用原子力顯微鏡對石墨表面進行的更有控制的實驗中表明，當兩個接觸的石墨表面彼此不相稱時，有明顯的超潤滑跡象。但是，這些努力大部分時間都局限于納米級到微米級，因為任何表面缺陷或表面粗糙度在結(jié)垢到較大面積時都會破壞超潤滑性。

 

過去，關(guān)于超潤滑性的定義一直不明確。如今，小于0.01的摩擦系數(shù)被認為是處于超潤滑狀態(tài)。

 

AnirudhaSumant博士是美國阿貢國家實驗室（ANL）的美國能源用戶設(shè)施部門納米級材料中心納米制造和設(shè)備部門的負責人，他是超潤滑性研究的全球先驅(qū)。他在2015年發(fā)表的有關(guān)納米金剛石與石墨烯融合的論文（Berman和Sumant等人，Science348（6239），1118-1122，2015年）被標記為固體潤滑技術(shù)的“游戲規(guī)則改變者”。

 

Sumant說：“這是首次有機會擺脫納米和微米級的局限，在工程規(guī)模上展現(xiàn)出超潤滑性。”封裝在石墨烯中的納米金剛石充當納米級滾珠軸承，可將接觸表面之間的摩擦減小到幾乎為零。

 

Sumant說，2018年發(fā)表的一篇論文（Berman和Sumant等人，NatureCommunications，9：1164（2018）將石墨烯替換為二硫化鉬。結(jié)果出乎意料?；瘜W(xué)反應(yīng)破壞了納米金剛石，形成了洋蔥狀碳球由球形石墨殼層組成，這種組合產(chǎn)生的超低滑動摩擦力可以承受較高的接觸壓力，并且由于碳球的尺寸較大，因此甚至適用于粗糙表面，重要的是，實現(xiàn)超潤滑的時間從原來的5個減少了薩曼特（Sumant）說，要花7分鐘到1秒的時間。

 

阿貢國家實驗室的研究正在開創(chuàng)固體潤滑技術(shù)的新紀元。在現(xiàn)實世界的工業(yè)應(yīng)用中，強大而持久的超潤滑性的潛力似乎幾乎是無限的，因為這項技術(shù)有望對全球潤滑劑行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。在某些行業(yè)中，超潤滑性能否完全取代油作為潤滑劑？

 

Sumant說：“即使是大型石油公司，固體潤滑劑也是一個非常重要的領(lǐng)域。”一些公司通過在其油和添加劑中引入石墨烯和其他納米潤滑劑，將摩擦降低了10-20％。但是，他們沒有看到他們想要看到的一致性。隨著時間的流逝，油中發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

 

Sumant說，盡管超潤滑不可能導(dǎo)致潤滑油的最終消亡，但“這項技術(shù)的前景非常光明。”就用戶友好性和適用性而言，該技術(shù)更經(jīng)濟，使用壽命更長且更具優(yōu)勢。最大的挑戰(zhàn)是改變傳統(tǒng)觀念。我們可以談?wù)撔录夹g(shù)，但是要從實驗室規(guī)模證明的基礎(chǔ)科學(xué)思想滲透到工業(yè)規(guī)模需要花費時間。他說，除非他們以相同的成本看到性能的實質(zhì)性改善，而又不改變現(xiàn)有的許多基礎(chǔ)架構(gòu)，否則很難說服他們技術(shù)的好處，因為通常情況下，它會降低成本。

 

干潤滑劑在許多行業(yè)中已經(jīng)很普遍。薄膜涂料是常見的應(yīng)用，盡管它容易發(fā)生災(zāi)難性的故障。Argonne的技術(shù)與傳統(tǒng)的薄膜涂料明顯不同。特別是，自生潤滑劑會不斷自我調(diào)整以延長使用壽命。

 

阿貢國家實驗室（ArgonneNationalLaboratory）在利用納米材料在無油環(huán)境中實現(xiàn)宏觀潤滑的過程中取得了巨大的進步，現(xiàn)已開始轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。

 

Sumant強調(diào)了Argonne國家實驗室與美國領(lǐng)先的汽車制造商之間的合作。金屬沖壓是用于將扁平金屬板轉(zhuǎn)換為特定形狀的制造過程。該方法廣泛應(yīng)用于汽車底盤的成形，盡管高溫和接觸壓力導(dǎo)致的摩擦?xí)a(chǎn)生薄弱點，這直接影響了車輛的安全性。

 

通常，汽車制造商使用油基潤滑劑來最大程度地減少金屬沖壓過程中的摩擦影響。當前的方法有些問題。Sumant說，盡管潤滑劑價格便宜，但在噴漆之前進行“乏味”的去除過程會增加可觀的成本。噴涂石墨烯基涂層可以實現(xiàn)所需的摩擦和磨損減少，并且易于去除。Sumant表示，他的團隊與行業(yè)合作，正在接近該項目的商業(yè)化，這將最終減少摩擦，提高性能和車輛安全性。

 

與世界上最大的石油和天然氣公司之一的合作伙伴關(guān)系也提供了同樣有希望的應(yīng)用。海上天然氣平臺利用機械泵密封來隔離有害氣體和油?，F(xiàn)有的密封件在高速下承受極端壓力，并且容易磨損和泄漏。更換密封件會導(dǎo)致生產(chǎn)停工并增加成本。Sumant的研究團隊正在運用他們的技術(shù)來生產(chǎn)具有低磨損和低摩擦的機械密封，從而最大程度地減少了更換頻率。他說，“要在工業(yè)規(guī)模上實現(xiàn)這一目標，還需要采取其他步驟”。

 

Argonne科學(xué)家進行的許多初步研究都集中在消除粗糙表面的狀況和減少在滑動表面上達到超潤滑性的時間。但是，2019年的一篇研究論文將納米潤滑的應(yīng)用范圍擴展到了滑動表面之外（Mutyala和Sumant等人，AppliedPhysicsLetters，115（10），103103，2019）—證明了納米潤滑劑技術(shù)即使在滑動和旋轉(zhuǎn)運動結(jié)合的情況下也可以工作。該研究表明，風力渦輪機軸承的摩擦減小到接近零，具有改善使用壽命，降低成本和替代機油潤滑的潛力。Sumant還預(yù)見了在電動汽車電池軸承中的重要應(yīng)用。