进展Superlubricity不同媒体和材料著复习
Aditya Ayyagari1,
戴安娜伯曼
阿里Erdemir- 1材料科学与工程系,北德克萨斯大学的丹顿,美国TX
- 2j . Mike Walker ' 66机械工程系,德州农工大学学院站,TX,美国
Superlubricity是一个术语通常用来描述一个滑动政权的粘连导致摩擦或滑动阻力消失。提高能源安全、环境可持续性和脱碳经济,实现superlubric滑动表面移动机械系统听起来很令人兴奋,因为摩擦产生不利影响效率,耐久性和环境兼容性的移动机械系统用于工业领域。因此,科学家和工程师们一直在探索新的方法来实现大规模superlubricity通过使用先进材料、涂料、润滑油很多年了。由于这样的共同努力下,最近的事态发展表明,使用正确的类型的固体,液体和气体或滑动触点附近的接口,一个确实可以实现摩擦系数低于0.01。摩擦系数低于这个阈值通常被称为superlubric滑动机制。希望这些发展将促进superlubricity领域的进一步研究和最终将产生的工业规模实现nearly-frictionless机械系统能源消耗,导致大地减少温室气体排放。这最终会有很大积极影响的实现经济和环境支持脱碳能源未来可行的工业实践。在这篇文章中,我们将提供最新进展的概述在superlubricity研究涉及固体、液体和气体媒体并讨论实现的前景superlubricity在工程应用中导致更高的效率、耐久性、环境质量,因此全球可持续性。
介绍
摩擦(定义为滑动阻力)一个最吸引人的物理现象非常早期的年龄。事实上,纵观历史,人类认识到摩擦的重要性在他们的生活方式和发展有效的手段来控制它通过一些非常巧妙的方式(Holmberg et al ., 2012)。主要的例子是巨大的巨人和石头的运输润滑雪橇或途径许多奴隶他们指定的地点在尼罗河沿岸在古埃及(Dowson 1998)。使用石膏、植物油和动物脂肪润滑战车的车轮,从而实现更容易和更快的流动还可以被视为另一个聪明的例子,人类已经升值摩擦的重要性和发展新的方法来控制它的优势(Nosonovsky 2007)。
更系统化的方法来理解和控制摩擦被认为在中世纪开始。达芬奇和他的高度有条不紊的工作明确图纸描绘一系列摩擦实验证明自己是非常巧妙的即使在今天,符合现代摩擦天的治疗Pitenis et al ., 2014)。进一步分析摩擦Guillaume Amonton在1600年代和1700年代Charles-Augustin德库仑摩擦的许多其他科学研究奠定了基础,Desaguliers,雷诺兹,耐寒,河中沙洲,鲍登和他泊,和许多其他科学家在19世纪和20世纪(Dowson 1998;Ludema 2001)。
更大的和多样化的全球流动的今天,摩擦已成为我们日常生活不可分割的一部分,最近,它获得了更多的关注由于其巨大的影响能源和环境问题。今天,我们看到、感觉和经验的影响在很多方面在某一天但并不关注其在能源和环境的负面影响。我们喜欢摩擦高安全行走或而停止我们的汽车在停车标志,但是我们希望它能在我们的关节尽可能低的步行或在我们的汽车的引擎支付更少的加油站。实现降低汽车发动机摩擦损失也会导致更少的温室气体排放。仅在乘用车,据估计,近1/3的燃料消耗的能源摩擦(这相当于每年超过3.6亿吨石油当量或730万TJ的能量浪费)(Holmberg et al ., 2012)。所以,能源,环境和经济摩擦的影响是相当巨大的,全球流动性和工业活动急剧增加,其影响在不久的将来肯定会飙升至更高(玛丽安et al ., 2022)。简而言之,摩擦仍然是一个重大的挑战,需要更加连贯和在我们社会的各个层面共同努力,减少其不利影响对我们的社会和环境。
然而,尽管许多专门研究在过去控制摩擦仍然是一个非常具有挑战性的任务。它一直是最热门的研究主题之一对许多科学家们年复一年。根据ISI科学,16000多篇研究论文致力于摩擦仅在2021年的科学和技术。此外,许多书籍和手册是用于描述摩擦磨损现象在不同材料的基础系统。早期拓荒者摩擦的研究大多是针对宏/微尺度理解和控制摩擦通过一些固体和液体润滑剂的使用。随着技术能力,非常有效的液体和固体减摩和磨损添加剂多年来不断发展和完善提供了优良的性能(Hirano et al ., 1991;峰值,2004;马丁和大前研一,2008年;Romsdahl et al ., 2019;Shirani et al ., 2020 a)。由于许多伟大的润滑发现,摩擦系数对许多滑动系统已经减少低于0.1在2000年代末期。事实上,在一些非常特殊的测试条件下,结果表明:摩擦系数低于0.01十分可行的不仅润滑,而且干滑动接触(Erdemir et al ., 2021)。这个政权的摩擦系数小于0.01已经成为非常有吸引力的科学界superlubricity (Hirano 2003),每年被定向到它更多的关注。4000多篇研究论文发表在同行评议期刊仅过去5年的突破的基础和应用两方面理解superlubricity跨尺度雷竞技电竞体育竞猜平台和媒体。
图1总结的时间演化superlubricity发现通过使用和发现新材料的尺度在过去的二十年。从观察之间的滑动摩擦原子平面的AFM设置实现强劲的宏观尺度superlubricity multi-asperity接触和繁杂的环境中,域极大扩大多年来包括许多新材料系统。这可能被视为一个伟大成就的摩擦学社区来自世界各地。
图1。实足的进化superlubricity长度尺度。
早期的概念验证演示包括多晶型物的碳,如碳纳米管、富勒烯结构,四面体非晶碳,薄钻石薄膜,MEMS设备。尽管各种示威活动实现超低摩擦,许多这样的技术已经从研究兴趣消退由于扩展的问题,环境的敏感性,和应用价值。发现材料系统,如钻石像碳(DLC) (Erdemir Eryilmaz, 2014),石墨烯和石墨烯复合材料(伯曼et al ., 2015 a;伯曼et al ., 2018 a)(如Graphene-MoS2;Graphene-hBN;Graphene-DLC;Graphene-MXene;和石墨烯氧化物)获得持续的研究兴趣和产品水平示威。最近的进步包括黑磷(任et al ., 2020)和MXenes (易et al ., 2021 a)作为superlubricity添加剂,tribocatalytic系统(高et al ., 2021)和有效的终止或表面钝化(Nosaka et al ., 2015;Nosaka et al ., 2017)技术,将图表向右上角的大规模的范围和因此即将superlubricity在实际机械系统中的应用。
专门研究摩擦过去几个世纪无疑增加了我们的理解,作为回报,帮助更好的控制来实现更高的效率和更长的耐久性在许多工业应用中。这些研究也为发展铺平了道路新材料与润滑剂和涂料实现协同工作,提供比以前更低的摩擦磨损损失。由于这种跨越式的进步,当今许多移动机械系统完美地和有效地工作了很长时间。随着欲望达到甚至更高效和清洁的流动性,我们应该期待摩擦持续进步科学技术在不久的将来导致真正的无摩擦的摩擦磨损或机械系统的发展。
从实用的角度,实现superlubric滑动机制将是最理想的一种滑动几乎所有移动机械系统(除了刹车、离合器、轮胎、鞋类、高摩擦等,是相当可取的属性)。然而,大多数观察或报道superlubricity作品只能是有用的在某些温和滑动条件,往往不切实际的大型机械系统严重滑动条件下操作。由于在全球范围内实现更高的能源效率,耐久性,和环境兼容性在所有类型的机械运动系统中,毫无疑问,摩擦和相关问题的研究在未来几年将获得更多的关注。希望实现一个可持续的superlubric滑动政权所有宏观/细观力学系统将1天成为现实,这些新一代系统将消耗更少能源,导致减少了有限公司2排放。毫不奇怪,大多数观察superlubricity滑动系统,磨损量也发现了极其微小的或不可估量的。这个属性也非常希望实现可靠、持久的机械系统。
在下面几节中,我们将提供详细信息目前最先进的superlubricity研究涉及固体、液体和气体介质。将特别重视那些可能导致更有效的最新发展为工业和环保摩擦学的解决方案。我们还将讨论未来的发展方向与能源和环境问题最近成为非常重要的,以确保可持续的未来包括电动汽车运输。
Superlubricity历史的角度来看
Superlubric或nearly-frictionless滑动机制存在于各种摩擦学的和生物系统在相当长的一段时间,但在大多数的这些类型的运动基本上不涉及solid-to-solid之间的直接接触。具体来说,航空或水压润滑条件下,滑动表面被布置得井然有序流体(空气或液体)电影和摩擦能量耗散的数量是有限的剪切流体媒体由于其粘度(Hamrock et al ., 2004)。这种类型的润滑是非常典型的箔片轴承或轴承杂志用于液压、燃气涡轮机、压缩机、发电系统。关节软骨在人体的髋关节和膝关节的关节也被粘滞滑液和名义这些关节的摩擦系数低至0.002 (金和Dowson, 2013年)。活塞环和衬垫,活塞销,连杆和其他运动部件在现代汽车引擎也被润滑膜和摩擦系数通常低于0.01 (Hamrock et al ., 2004;金和Dowson, 2013年)。
Superlubric滑动机制也非常典型的超导轴承系统(船体et al ., 1995磁悬浮)反对表面布置得井然有序的磁力可以解除负载和也可以用来推动和引导车辆在高速轨道。在相对运动,有很少或根本没有这样的悬浮表面之间的摩擦。这个概念正在使用超高速度发展的子弹头列车,可以达到时速高达500公里/小时(霍尔默,2003)。纳米悬浮由于卡西米尔力也可能创造的条件,支持无摩擦滑动运动(Lamoreaux 2004)。已经证明这种效果以纳微尺度,但更大的工业规模的示范是有待实现。使用胶体探针原子力显微镜,甚至排斥范德华力被证明足够独立的表面,导致superlubric滑动机制(费勒et al ., 2008)。同样,据报道,纳米级的库仑排斥接触产生的条件superlubricity在液-固相或固相固相接触接口(太阳et al ., 2009)。表1总结了关键superlubricity机制和跨媒体superlubricity最具代表性的研究。
表1。superlubric滑动系统的总结。
总的来说,近年来,已取得显著进展的理解和控制的摩擦,最终导致新方法和材料的发展使nearly-frictionless滑动政权在范围广泛的摩擦学的情况下,媒体和环境(Baykara et al ., 2018)。特别是,随着新的和更强大的计算技术的出现(如超高速、大容量计算机实现量子级的模拟,人工智能和机器学习平台)和先进的分析工具(FFM AFM,国家林业局,药物,等等),摩擦和它的影响最近一直探索和模拟原子尺度。使用这样的工具和代码,许多研究人员已经能够说明原子相互作用下静态和滑动接触产生摩擦(Hirano Shinjo, 1990;·索科洛夫,1990;迈耶et al ., 1995;克里米亚,1996;罗宾斯和克里米亚,1998;Bhushan 2000;Bennewitz 2005;Hirano 2006;莫et al ., 2009;Urbakh和梅耶,2010)。这些发展也使superlubric滑动机制的条件可能最优惠(·索科洛夫,1990;Hirano et al ., 1991;马丁et al ., 1993;Hirano et al ., 1997;高et al ., 2003;Hirano 2003;Dienwiebel et al ., 2004;烹调的菜肴和罗宾斯,2005;Socoliuc et al ., 2006)。例如,它是由量子化学和分子动力学模拟预测,当某些晶体固体表面原子(如石墨、金属氧化物半导体2、云母、硅)扭曲或从一个完整的旋转可公度性(或atom-to-atom registry)完全不相称的(或注册)条件下,摩擦开始从强大的粘滑运动(这是典型的高摩擦),最终轻松滑动(Erdemir 2001;Dienwiebel et al ., 2004;烹调的菜肴和罗宾斯,2005;Socoliuc et al ., 2006)。这些类型的superlubric滑动政权更典型的原子级光滑表面依靠不能通约superlubricity(通常是在纳米级)。如果表面变得粗糙或有缺陷的,非常陡峭的增加摩擦可以预期(Erdemir 2001;Hirano 2006)。表1总结了一些的滑动系统据报道承受superlubricity滑动接触条件下。这些系统的进一步细节将提供三个子类和底层机制控制superlubric行为将讨论与固体、液体和气体介质。
Superlubricity基础
Superlubricity通过无从比较
大部分的解决方案实现superlubric滑动机制是基于克服可能的摩擦能量耗散机制(图2)(伯曼et al ., 2018 b)。摩擦往往时间穿,当能量花启动时出现损害的滑动表面,表现为裂缝和缺陷(图2一个)。不能永久损坏磨损的情况,但暂时的,对于分子变形(图2 b)。的影响,通常扮演小角色相关的局部加热在粗糙面接触,所谓的热效应(图2 c),或者内部的声子振动传播接触材料(图2 f)。为了克服摩擦,还应该努力减少表面之间的相互作用通过减少材料由于滑动诱导表面的静电吸引费用(图2 d)和最小化表面原子之间的化学键的形成(图2 e)。在这种情况下,周边环境的性质起着关键作用,因为它可以减少表面相互作用通过钝化晃来晃去的债券或诱导表面材料缺陷如humidity-based腐蚀的联系接口(图2 g)。最后,摩擦可能源自结构或机械联锁的接触表面微凸体在滑动(图2 h)。由于所有这些可能的贡献者的摩擦损失,实现superlubricity一直高度可取的但非常具有挑战性的很长一段时间。
图2。图表可能的能量耗散机制在滑动相关:(一)穿;(B)分子变形;(C)热效果;(D)电子效应;(E)结合;(F)声子;(G)环境/化学;和(H)结构/联锁。允许转载(伯曼et al ., 2018 b)。
基本计算Hirano和合作者的研究预测superlubric滑动政权之间没有缺陷的可能性,原子级光滑,此消彼长。一些水晶固体表面在1990年代早期(Shinjo Hirano, 1993;Hirano 2003)。根据他们的研究,最重要的要求superlubricity交配这种固体不相称的或完全失调/不适应环境的方式。这种类型的superlubricity通常被称为“结构性superlubricity”因为当或者原子转移无从比较,这些表面开始显示高摩擦(沉思者,2004;Socoliuc et al ., 2004;Dienwiebel Frenken, 2007;Gnecco et al ., 2008 a;Filippov et al ., 2008)。
实验,证实,如果不能通约需求满足,superlubricity确实可能成为现实。事实上,一些研究人员已经证实superlubric滑动机制的存在不相称的表面的硅、云母、石墨、金属氧化物半导体2和其他一些固体(Hirano et al ., 1991;Dienwiebel et al ., 2004;李et al ., 2017)。研究人员报道,使用AFM和FFM摩擦系数基本上从0到0.005石墨(李et al ., 2010;伯曼et al ., 2015 b)。图3说明了相称和不相称的滑动机制,导致非常高或超低摩擦在石墨,分别。在另一个滑动系统,Hirano集团还演示了超低摩擦对硅片钨提示在超高真空条件下(Hirano Shinjo, 1993)。同样,Dienwiebel等人进行了系统研究与钨提示和石墨表面探索摩擦的过渡能较量的不可通约的滑动表面的状态(Dienwiebel et al ., 2004)。结果表明,摩擦力来从一个很高的值接近于零的水平,当表面原子从一个完全相称的旋转到一个完全不相称的接触状态。
图3。量子的说明(一)相应的(高摩擦)和(B)不相称的超低摩擦接触。一个类似的概念(C)可公度性和(D)不能通约提出了六角结构的2 d电影。
有趣的是,类似的效应的旋转superlubricity一双non-self-mated材料证明,如在石墨烯和六角氮化硼(图4)(歌et al ., 2018)。分子动力学模拟表明,观察到的摩擦各向异性源于阻尼的平面外变形碳原子。这一结果表明,结构superlubricity是可以实现的更广泛的晶格失配系统(陈和李,2020年)。
图4。摩擦应力和旋转角度之间的关系在环境条件下石墨和hBN之间。(一)山峰高摩擦的观察到0,60岁,120年,180年,240年和320度;这些山峰代表一个完整的可公度性的状态。(B)这些山峰之间的地区超低摩擦由于不相称的量子状态接触。与许可复制(陈和李,2020年)。
另一个更普遍的superlubric滑动政权纳米尺度接触被称为thermolubricity。在这种superlubric滑动,滑动的速度通常是非常低和AFM提示有足够的时间通过热激活(完全摧毁粘滑运动运动Gnecco et al ., 2008 a)。
研究人员表明superlubricity也可以实现一些碱性的卤化物(如氯化钠和氯化钾)(施泰纳et al ., 2009)。Electro-capacitive piezo-induced搅拌或振荡在某些共振频率被发现明显减少摩擦在导电和绝缘碱性卤化物氯化钠、溴化钾、石墨、云母表面(Socoliuc et al ., 2006;Gnecco et al ., 2008 b)。
除了materials-enabled superlubricity、系统适应性的方法被认为是使超低摩擦行为。最近,superlubricity摩擦力所表明的模式原子力显微镜诱导的外部振动系统(施et al ., 2021)。作者表明,在常规扫描实验的摩擦增加正常负载增加,然而,一旦振动应用几乎没有摩擦和负载的变化。某些频率的选择,即。,finding the resonance between the external vibration frequency and the resonant frequency of the cantilever beam, was crucial for achieving a significant reduction in friction and achieving superlubricity.
Superlubricity在液体环境中
液相润滑(即使用油润滑,醇,燃料,或其他液体)已经被工程师划分成四个润滑制度,即边界润滑、混合润滑,流体和全油膜润滑。一些标准润滑工程教科书详细解释这些政权。尽管无处不在的使用油性润滑剂在汽车和工程/制造领域和增量改善随着时间的推移,实现和维护的大规模的摩擦系数低于0.01 (superlubric阈值)在实际操作条件下的润滑制度已相当困难。有几个摩擦学的应用程序,这样缺乏润滑技术一直是限制因素在下一代移动机械系统的设计与实现。相关的例子包括交通工具、齿轮和轴承系统的风力涡轮机,和无数的其他类型的移动机械装配中存在的制造、航空航天、发电和其他横切工业领域。常见的油基润滑剂的基本物理方面,如粘度和强烈依赖于温度以及添加剂包的稳定性,影响其润滑特性从长远来看。提到的四个润滑政权施加不同程度的剪切力和接触压力在接触区内,要求一个健壮的动态响应的润滑剂本身,以便它可以在应用程序中保持有效的条件。
在现实中,液体润滑剂,可以表现出superlubric性能在多方面的应用和一系列操作条件尚未实现。在可用的液体媒体、极地和离子液体已发现最适合实现superlubricity (郑et al ., 2021)。甘油、乙二醇是典型例子表明承诺superlubricity性能。尤其是当这两个液体降低了摩擦滑动部分涉及某些陶瓷(王et al ., 2019),涂以一个惰性材料,如数据链路控制(Bjorling史,2019年)、四(长et al ., 2019),蓝宝石(刘et al ., 2019)、氧化铝(王et al ., 2019),当滑动轴承钢等工程材料(马et al ., 2021 a;马et al ., 2021 b)、硬化钢(马et al ., 2021 b)、渗碳的钢(马特et al ., 2008),和简单的硅酸盐玻璃(Zhi-Zuo et al ., 2011)、硅晶片(通用电气et al ., 2018 a)。此外,这些材料获得了大量工程感兴趣,因为他们可以进一步修改,添加0 d材料(任et al ., 2020),2 d固相材料(通用电气et al ., 2018 a;任et al ., 2021)和液体添加剂(马特et al ., 2008;王et al ., 2016;刘et al ., 2019;汉et al ., 2020)。
在粘性流体的存在,在一定载荷和滑动速度条件下,滑动可能导致弹性流体润滑(EHL)政权的滑动表面之间形成一层润滑膜(马et al ., 2021 a)。润滑膜的性能有重要影响的接触界面的摩擦系数,因此机器组件的性能和可靠性。大多数liquid-lubricated系统显示superlubric滑动aqueous-based (通用电气et al ., 2019)。液体lubricant-enabled superlubricity通常依赖的形成tribofilm,水化层,或分子刷。Reddyhoff et al。(Reddyhoff et al ., 2021)报道tribosystem产生superlubricity下放映EHL条件相关的轴承、齿轮、和许多其他机器组件。Superlubricity启用时插入液体形成一个薄层从而使滑动表面之间的简单剪切(图5)(陈et al ., 2013)。
图5。(一)摩擦系数的函数的相对湿度,(B, C)说明间水的分子水平的结构和相互作用与滑动表面。允许转载(陈et al ., 2013)。
聚合物刷也可以负担得起的超低摩擦滑动界面通过形成紧密间隔层end-grafted聚合物链之间的滑动表面(李et al ., 2003;冯et al ., 2021)。聚合物链伸展到载波液体以减少整个系统的自由能,从而形成我们结构在两个面孔。在滑动,这些刷子提供超低摩擦油和其他水环境。显然,理解底层机制产生superlubricity在这些液体润滑剂不仅有助于设计新的滑动系统还定义了特定的应用程序情况superlubricity可以保持长时间的操作。
表面钝化Superlubricity
大多数的固体润滑剂或固体自润滑(例如,DLC、石墨、金属氧化物半导体2等)展示了非常高的灵敏度测试环境的化学成分,特别是湿度(Chhowalla Amaratunga, 2000;伯曼et al ., 2013;伯曼et al ., 2014 a)。例如,臭名昭著的伽利略高增益天线的失败归因于金属氧化物半导体的分层2涂层在地面潮湿的空气测试(伽利略,1992)。在大多数情况下,水环境的存在阻止了superlubricity通过干扰化学重新定位到一个不相称的状态的接触界面(伯曼et al ., 2015 a)。图6总结了概念用于superlubricity控制金属氧化物半导体的表面钝化2和数据链路控制系统。
图6。水分在金属氧化物半导体和表面钝化效果2和数据链路控制系统。
Khare et al。(哈雷和伯,2013年)报道环境水和氧气的影响MoS的润滑方面2。尽管金属氧化物半导体2空间应用的首选润滑剂,其地面性能方面达到大规模的superlubricity受到水蒸气的存在。简单的剪切或在金属氧化物半导体土层滑移2阻碍了MoO的形成3和吸附的水分子在边缘/晃来晃去的债券。在他们的系统研究中,他们建立了一个直接润滑恶化之间的相关性和插层或相互作用的物种的类型(O2H2N2H2在室温下测试时O)。在考虑钝化分子、湿度显示明显对摩擦磨损性能的影响而性能相当敏感滑动大气中的氧含量。这是由于氧化(破坏)是一个表面或地下的现象,而水分子有更多有害的影响,因为他们吸附在表面,扩散到体积随着时间的推移,从而防止容易superlubricity的层间的分享和成就。从实验和应用的角度,研究人员必须注意到,水分子扩散到nano-crystalline金属氧化物半导体2随着时间的推移发生片。不当存储/粉末样品可以被环境污染水,能强烈影响实验结果。可以快速干燥等物理吸附结构水热处理相比,真空解吸。良好的热动力学干燥和真空干燥可以用来工程师高温金属氧化物半导体2基于固体润滑剂稍后讨论的手稿。
表面钝化碳质润滑材料(例如,大部分钻石,钻石薄膜,ultra-nanocrystalline钻石(UNCD),钻石像碳(DLC)和四面体非晶碳薄膜)在实现和维护必要的低摩擦和磨损。与金属氧化物半导体2那里的水是一个可耻的代理,提出了水和氢分子有效钝化悬空σ的一样好,或者共价键的这些材料。Konicek et al。(Konicek et al ., 2008)已经证明降低摩擦在不同的相对湿度增加正常加载UNCD和四薄膜。钝化的不饱和共价键H,哦,或者其他组织至关重要在阻碍强共价键的形成self-mating接口。气体吸附不仅钝化表面悬空σ-bonds也削弱了π-π∗配合端面上的碳原子之间的相互作用,从而提高superlubricity。
作为一种工程方法,实现superlubricity窗口使用DLC和四钢可以滑动self-mating条件或反对扩大通过引入表面吸附物的类型,可以增强tribosystem表面钝化。在一个模型研究中,可汗et al。(汗et al ., 2018)提出了一个酸治疗途径进一步加强DLC的表面亲水性。这种治疗结合有机摩擦改性剂的存在(比如alkyl-amine-compounds)有效钝化悬空σ-bonds和减少化学活动的程度,从而减少摩擦。有广阔的空间利用摩擦学的摩擦表面钝化使用修饰符的好处,和其他工程解决方案,进一步推动用于克服连续superlubricity局限性。
Superlubricity固体材料系统
Superlubricity已经观察到在各种固体材料在纳米大规模的摩擦学系统。然而,条件superlubricity非常不同的从一个类的材料。在下面,我们将把这些分成子类别,试图阐述的底层或适用机制触发superlubricity在特定条件下。
0到1 d材料
随着纳米技术的出现,无数的小说纳米材料与0到3 d体系结构目前已经开发出了包括0 d nano-onions (Shenderova et al ., 2008),nano-diamonds (Shenderova et al ., 2008;Shirani et al ., 2019 a;Shenderova et al ., 2019),非晶碳nano-spheres;一维纳米管、纤维棒,胡须(Alexandrou et al ., 2004);和二维石墨烯(伯曼et al ., 2014 b;伯曼et al ., 2016),h-BN (大岛渚和长岛,1997),MXene (Gogotsi Anasori, 2019),黑磷(凌et al ., 2015),金属dichalcogenides (Manzeli et al ., 2017)。更多最近发现借助人工智能/机器学习(AI /毫升)的算法(Baboukani et al ., 2020)。大多数都是与油混合达到nano-colloidal润滑(三浦et al ., 2005),但最近的实验表明,他们中的许多人可能还提供superlubricity干滑动条件下(Gnecco et al ., 2008 a;卡瓦依et al ., 2016)。在其他固体滑动系统包括石墨、三浦等人几乎无摩擦滑动实现政权当C60作为插入石墨(交替层之间的三浦et al ., 2005)。它被认为与C60的引入,石墨片层间间距大大增加,甚至球形C60作为一个分子级滚珠轴承。
石墨烯和其他二维材料
创造一个更好的固体润滑剂的解决方案,分析了二维材料的摩擦和磨损减少特征能够积极影响移动的操作系统跨尺度和滑动机制。atomically-thin性质的电影允许使用二维材料在纳米尺度系统,润滑的方法涉及到自己使用的材料属性,和大规模系统,保形性的涂层允许保护的衬底材料摩擦磨损引起的损害。
结构均匀性和简单的二维材料的剪切摩擦使他们有前途的候选人更精确的控制,甚至降低到接近零值。的主要目标是减少摩擦磨损在工业规模,努力创建结构superlubricity超越纳米尺度接触。主要的挑战是最小化之间的相互作用表面的接触面积,同时保留表面的承载能力(煤斗et al ., 2018)。的情况不相称的接触,表面之间的相互作用是在原子尺度最小化。然而,永久保持接触界面处于不适应的状态在技术上具有挑战性和新方法减少接触交互是必要的。的第一个示范提供了实际可行的macro-superlubricity仅仅几年前。在这种情况下,二维材料,石墨烯,是结合金刚石纳米颗粒(伯曼et al ., 2015 a)。利用石墨烯的有益特性,实现superlubricity nanoscroll现象形成的石墨烯在纳米金刚石血小板。启用了卷轴形成宏观尺度滑动表面的分离,导致接触面积减少。表明,只有一个可能的接触面积减少65%就足以显著减少摩擦损失。存在unscrolled的二维材料石墨烯保存有益的属性保护底层表面和最小化彼此交互。石墨烯+金刚石结合导致了减少摩擦系数从0.15∼∼初始unscrolled配置superlubricity政权的0.004卷轴时形成的。应该注意的是,观察superlubricity稳定范围的温度,负载,和速度条件下,尽管湿度效应的消除是至关重要的。
广泛的二维材料打开新的机遇实现超低摩擦机制与材料石墨烯。第一个发现大规模graphene-enabled superlubricity建议其他材料可以观察到类似的机制。测试执行与二硫化钼(金属氧化物半导体2)取代以类似的二维材料石墨烯片+应用配置(伯曼et al ., 2018 a)。在这个系统中,摩擦值也降至接近于零的水平,然而,磨损产物的分析表明,减少摩擦的机理不同于mechanically-initiated nanoscroll形成。具体来说,在金属氧化物半导体2,superlubricity,而源于仪在穿跟踪活动。最初的滑动期间,当系统中的摩擦高,有利条件启动仪处理纳米金刚石与金属氧化物半导体2片诱导物质变换。大接触载荷和局部加热事件经历的材料接触界面诱导金属氧化物半导体的解体2电影中钼和硫原子。硫是高活性sp3保税碳纳米金刚石的晶格,导致中断的钻石晶格和碳无定形化。一旦加热释放,amorphized碳转化为洋葱式的碳结构,能承受高的接触载荷和提供类似石墨烯+钻石nanoscroll接触面积减少和无从比较效果。或者,类似的概念是真的当取代纳米材料代替2 d的材料,因为它展示了石墨烯+铁纳米颗粒配置(伯曼et al ., 2019)。
层状/层状固体
先前的研究已经表明,层状或片状材料(如石墨、金属氧化物半导体2、h-BN、云母等)的形式大部分结构而不是几层2 d电影最适合实现superlubricity。在所有这些固体,又不能通约被发现superlubricity最重要的一个先决条件。例如,Hirano等人观察到四个数量级减少摩擦力,当两个云母表的数量是越来越多的旋转出一个完全相称的滑动接触到完全不相称的状态(Hirano 2014)。此外,Dienwiebel et al。(2004)报道接近零滑动接触表面之间的摩擦钨技巧和在纳米石墨薄片联系人。在Dienwiebel的实验中,superlubricity是通过将接触表面原子所示完成无从比较图2。马丁et al。(1993)实现superlubricity超纯金属氧化物半导体2在超高真空和不相称的滑动条件下电影。在其他层状固体,WS2也已被证明能够实现superlubric摩擦值在超高真空测试测试环境(Joly-Pottuz易威奇,2007年)。重要的是,大型金属氧化物半导体的晶格不匹配2/石墨烯和金属氧化物半导体2/ h-BN启用superlubricity即使没有任何扭转角的依赖(廖et al ., 2022)。
由于其层状结构,某些无机固体可以承受一些最低的摩擦磨损系数在适当的测试环境和条件。例如,当测试在惰性气体或真空中,金属氧化物半导体2所提供的摩擦系数下降到不可测的水平马丁et al。(1993)在超高真空。
刘等人。刘et al ., 2012)光刻准备微尺度台面在石墨和剪切后,观察到剪切部分取消后不需要任何力量。他们认为这样self-retraction superlubricity不相称的表面的石墨微尺度(刘et al ., 2012)。
在类金刚石碳和Superlubricity钻石薄膜
DLC的电影是非常独特的,因为它们可以提供石墨呈摩擦磨损行为根据它们的化学和结构性质(Erdemir Donnet, 2006)。共同努力,许多研究者也导致开发新的品种的diamondlike碳电影提供superlubric滑动摩擦系数下政权在干燥和润滑条件下。发现最重要的要求实现superlubricity完成氢终止他们的滑动表面。这要么是通过合成数据链路控制在一个高度氢化等离子体完全终止晃来晃去的σ键的表面碳原子或保持较高的氢离子浓度在测试室测试期间,σ键立即,不断被氢终止附近的滑动接触。通过一些非常独特的仪交互,事实证明,氢与碳原子反应生成一个hydrogen-terminated顶层进而产生排斥力粘附,从而减少摩擦。Post-deposition氢等离子体处理贫氢或免费用于也导致superlubric滑动行为(Eryilmaz Erdemir, 2008)。
先前的研究已经证实,有许多类型的DLC膜能够提供superlubricity (Erdemir Eryilmaz, 2014)。除了单相用于,几种用于所掺杂其他元素现在可用,这些倾向于提供优越的机械(韧性和硬度)、热(高耐热性和热退化),和摩擦学性能(摩擦磨损)。等,碳氮化(CNx)涂料吸引了硬盘记录行业的浓厚兴趣的一个最喜欢的硬盘涂料由于多优异的摩擦学性能的分子稠油电影的表面。典型的氮浓度可能会有所不同从5到15 t %以上,以提高硬度、刚度、表面能和其他surface-sensitive属性(Erdemir Eryilmaz, 2014)。
专门研究加藤和足立的可能性实现superlubricity CNx经过短暂的争执或表面修整在氧气环境。具体地说,他们已经表明,摩擦系数低见0.005等干后氮是可行的表面修整阶段(加藤和足立,2007)。基于表面分析的研究,他们认为这种superlubric行为极其shearable tribolayers形成的本质在干滑动界面氮。
Superlubricity(即。,friction coefficients below 0.01) was also achieved with silicon-doped DLC films in a high vacuum (杉本宅一生,1990年;易et al ., 2021 b)。潜在机制等超低摩擦是不容易理解但归因于容易shearable转移层的一代有一个特别的方向滑动方向。
氟也作为掺杂剂在DLC电影模仿聚四氟乙烯的化学成分提供非常低的摩擦系数。然而,氮和硅相比,氟是证明很难融入大量用于。测试与适度fluorine-doped氢化用于提供摩擦值下降到0.005在超高真空(方丹et al ., 2004)。
硫是另一个掺杂剂与用于实现superlubricity使用。硫的关键动机是将大大改变表面能,因此DLC表面的摩擦特性。这样的涂层摩擦学的测试实际上提供超低摩擦降至0.004水平环境空气条件下(Freyman et al ., 2006)主要是由于吸附水分子之间弱键(来自于潮湿的空气)和硫和富含氢的表面。
研究人员还表明,随机网络结构的操纵用于还可以创建的条件superlubricity可能实现。例如,fullerene-like氢气和氢化DLC膜产生的CNx摩擦磨损测试。的摩擦系数fullerene-like CNx高(例如,0.15 - -0.2)但氢化fullerene-like DLC薄膜的摩擦系数对Si滑动3N4是直径小于0.01根据接触载荷和仪的类型电影出现在摩擦表面。从力学上看,这样的超低摩擦行为归因于氢转移层的形成提供非常低的剪切滑动期间(王et al ., 2011)。
最近,结果表明:当氢化DLC膜对氧化锆球滑,超低摩擦系数(即。,低于0.001)可以实现。这样一位杰出的摩擦系数是由于形成polymer-like tribofilm(即在极端的压力。2.6 GPa)通过一个非常独特的催化氧化锆球所分泌的影响。有人认为,在这样的极端压力之间的一种特殊的触发tribocatalytic反应环境中氢分子和碳原子的DLC膜形成一个强大的排斥力量发挥作用(Nosaka et al ., 2015;Nosaka et al ., 2017)。
除了用于提到,钻石因其潜在superlubricity也吸引了特别关注。从摩擦学的角度来说,大部分钻石或薄膜超硬钻石薄膜可以提供和刚度,因此优越的耐磨性。然而,钻石表面的摩擦特性可以强烈影响气态物种如氢、氧或水分子在周围的气氛。最近的Kumar等人的研究和Konicek等人已经证实的耐磨性ultrananocrystalline钻石薄膜和进一步的报告(即超低摩擦。,在宏观尺度(0.01或以下)Konicek et al ., 2008;Kumar et al ., 2013在潮湿的空气中。如此低的摩擦值是由水分子被分离成氢和羟基离子在滑动接触界面,然后有效地晃来晃去的σ键的表面钝化钻石原子,从而提供超低摩擦。
Superlubricity液体材料系统
而固体材料系统演示高适用性控制环境条件,与设计相关的挑战和沉积以及他们最终退化意味着需要液体润滑解决方案。使用油性润滑剂(包括合成(鲁德尼克Shubkin, 1999;雅克et al ., 2019)和植物(Salimon et al ., 2010;Cermak et al ., 2013;李et al ., 2018;Romsdahl et al ., 2019)是一种常见的工业方法允许在移动组件,减少摩擦损失虽然实现油的superlubricity是具有挑战性的。材料系统呈现superlubricity液体媒体通常包括水碳氢化合物,和离子系统,作为纯粹的系统或其他固体或液体添加剂。
Superlubricity水的解决方案
水已被证明产生superlubricity只要0.1646 mol / L向系统添加磷酸(高et al ., 2018)。单向滑动的测试进行测试,在300克负载(700 MPa的压力)和56毫米/秒(SiO班轮滑动速度2对Si滑动3N4)。试车时间大约12分钟后,摩擦降至0.003,之后保持稳定。磷酸的加入导致结构水的破坏(即有序地网络)可以从和频一代(SFG)振动光谱。地的破坏结构反过来归因于磷酸的水化能力强。这不同于之前报道的研究在相似的条件下,摩擦对3 h(0.004和稳定李et al ., 2011)。在这种情况下,拉曼光谱分析,所显示superlubricity归因于形成固体状的电影,主要是氢键网络,水合物的磷酸,在滑动表面。氢键效应是关键在水中形成水化层抗剪强度较低,和界面库仑排斥取向影响所有累计导致延长superlubricity (李et al ., 2011)。
值得注意的是,在水溶液superlubricity敏感氢离子浓度(李et al ., 2012)。氢离子牢牢吸附在滑动系统由质子化作用反应从而产生带正电的表面。superlubricity,因此,已被归因于带电双层效应的协同作用和水化作用。更多的阐述了显微镜调查后去除多余的解决方案表示形成的氢键网络tribolayer组成的薄氢氧根和磷酸二氢(李et al ., 2013)。
Superlubricity离子解决方案
两个带负电荷的双层之间斥力与古典水化层的剪切也被报道在碱金属盐的解决方案,有效地产生superlubricity (汉et al ., 2019)。二价和三价离子表现出极低的摩擦系数0.005 - -0.006和0.002 - -0.004在类似的滑动条件下。系统参数的研究还显示阴离子的大小之间的关系及其对润滑的影响。之后,类似的行为达到superlubricity较小的离子,如Li Na,和K,证明了在高硅之间的接触压力3N4球和蓝宝石磁盘(汉et al ., 2018)。与较大的离子,达到superlubricity在这种情况下的主要机制是平滑的粗糙引起边界层润滑,和形成水化壳周围的碱金属离子有效分离tribopairs从而降低摩擦。
Superlubricity醇类和烷烃
1-dodecanol显示superlubricity sliding-rolling条件下作为微型拉力试验机测试(Reddyhoff et al ., 2021)。钻石砧细胞实验表明,1-dodecanol经历pressure-induced凝固时引入弹流接触,与温度和压力的影响下形成的多晶型物接触。这些形态变化导致的形成氢键六角片状结构,充当润滑吊索夹层。这种tribosystem的优势是,这种现象并不取决于tribolayer形成的动力学,而是多态的系统创建的水库周围的液体,可以在需要的时候立即补充接触。这项研究还报道,层状结构可以在更高的温度和压力下破裂,从而使目标润滑应用程序(1-dodecanol顺从Reddyhoff et al ., 2021)。
纯异辛烷被证明提供superlubricity当滑动对SiC flat-on-flat配置见许多工程系统(施赖伯和施耐德,2019)。碳化硅是比钢铁、抵抗塑性变形和适应滑动应力由当地退化导致形成新的表面。形成表面钝化和硅氧烷硅醇组以及一个连续的润滑异辛烷薄膜负责持续superlubricity。
Superlubricity甘油,乙二醇液体
虽然甘油可以非常有效的钝化滑动界面,其高粘度经常导致厚液体薄膜的形成,粘性损失,因此高摩擦。水可以提供一个很好的选择来降低粘度,因此作为摩擦改性剂为丙三醇因其极低的粘度、低成本、良好的混溶,在世界范围内的可用性。马et al。(马et al ., 2021 a)报道了含水量的影响宏观尺度的甘油润滑行为纯滑动条件。他们的研究发现了一个临界含水量实现混合弹流忙superlubricity政权。具体地说,它是发现,在乙二醇生产增加含水量单调降低粘度,理论膜厚度,因此摩擦0.2水/甘油重量比,之后,摩擦增加以上superlubric阈值(马et al ., 2021 a)。类似的趋势也观察到在不同滑动速度等关键操作条件和正常的负载。在这两种情况下,摩擦系数降低到某一阈值的改变一个变量而另一个是保持不变。混合/流体政权计算机模拟仪边界膜的形成暗示有限表面微凸体的滑动界面的交互,从而使异常狡猾。这些结果共同表明,有一个特定的窗口实现和维护superlubricity对负载、含水量、滑动速度和表面粗糙度。
像水一样,甘油的润滑性也可以改变通过添加少量的离子液体,特别是在薄膜润滑制度(华et al ., 2022)。少量(0 - 3 wt. %)(胆碱)(脯氨酸)离子液体的加入甘油和混合流体的润滑性测试简单的滑动条件下与湿度变量。在环境条件下,只要生产的添加剂1 wt. % superlubricity效应,与越来越多导致进一步的改进。此外,增加甘油的wt. %达到稳态的时间减少,粘度,从tribosystem的一小部分的水被蒸发掉。结果表明,H +离子从水可以在接触表面形成一层实际上优先支持应用正常负载和锁水分子。效果类似当添加离子液体吸附在表面(华et al ., 2022)。这条路线在纯水分处理的优点是,可以实现superlubricity甚至在薄膜润滑制度而不是在弹流润滑(EHL)政权需要厚液体滞留。这种发展种子可以进一步研究的方向动态润滑改造环境湿度的函数,从而为生产创造替代路线superlubricity在薄膜和高剪切率。
化学反应发生原位由于滑动表面的相互作用被称为仪现象。表面使用在工程应用中往往粗糙,但滑动摩擦诱导的高接触表面微凸体逐渐使交配表面共形。润滑,由表面微凸体之间的相互作用,称为边界润滑政权这样的表面微凸体直接物理接触,甚至还会产生摩擦和磨损。长期滑动,平和的表面粗糙减少了接触压力,促进形成一个连续的润滑膜,从而转变EHL政权的滑动接触。磨损碎片,裹入到系统可以有助于third-body-wear现象导致加剧磨损和摩擦尖峰或参与仪反应和tribofilms的形成。例如,superlubric表现展示了类金刚石碳(四)四面体非晶涂层时用来对付钢铁glycerol-containing液体媒体。虽然四和四也研究,superlubric性能只有在四和钢铁tribopair,这表明铁碎片可以在接触区仪反应中发挥了关键作用,导致观察superlubricity。长et al。(2019)揭示仪机制包括机械钢球的平和,形成一层很薄的铁氢氧化物,FeOOH (lepidocrite),以及随后在其表面吸收的水。Liepidocrite具有二维结构,这是积极有利的形式tribosystem比3 d核素/晶体之间的润滑Liepidocrite晶体来源于hydrogen-faced层之间的弱相互作用。除了FeOOH的形成,截留甘油及其降解产物(碳、水、氢等)的结果在一个高度色EHL电影(图7)。的原位发展一个薄的氧化膜,防止甘油的退化,将接触表面,并促进superlubricity是有形的技术,可以用来作为未来技术的商业应用程序的模板。
图7。仪生成复杂的铁氢氧化物,随后在其表面吸收的水导致superlubricity。与许可复制(长et al ., 2019)。
石墨烯氧化物(去)通过限制穿片也显示较低的摩擦损失。宏观尺度superlubricity启用了协同效应的石墨烯氧化物nanoflakes聚羟基醇(乙二醇)的顺序添加到很小的浓度为0.5,1.0,1.5,2 g / L (通用电气et al ., 2018 a)。像前面的情况下,保护和激活水分子减少摩擦的关键。去总是与吸附水分子和终端羟基和水分子之间的接口/石墨烯是剪切滑动期间的最可能的网站。网站远离氧化石墨烯薄片,水化GO-Ethanediol网络中扮演重要角色的重大减少摩擦和贡献的有效实现大规模superlubricity。
总之,液相中优越的润滑可以大致分为四类:工程固体添加剂、润滑剂的流变学要么离子或极性分子与微调环境条件相结合,通过激活水分子持续水化;扩大经典润滑的政权最有利于superlubricity分子操纵;和激活仪或tribocatalytic反应实现表面钝化。这些观察结果的摘要中突出显示表2。
表2。摘要液体润滑的润滑机制。
高温Superlubricity
实现和维护低摩擦温度高达200°C是一个工程的挑战,因为大多数,如果不是全部,传统的矿物和合成油基润滑剂开始退化和退化在这样的温度下剪切。在固体润滑的情况下,热加速扩散和固态相变等现象,热膨胀和收缩提供自己的材料补充和适应(带来的好处Shirani et al ., 2019 b;Aouadi et al ., 2020;Shirani et al ., 2020 b)虽然呈现无摩擦滑动的挑战。润滑解决方案的同时,迫切需要在应用程序中涉及高温政权,包括各种各样的涡轮机,运输和制造业务,航空航天技术。高温润滑的艺术渲染状态子- 0.01摩擦仍处于初级阶段,数量非常有限的研究证明这种现象在一些非常具体的测试条件下(曾庆红等人。,2015年;高et al ., 2021;王et al ., 2021)。
MSH / C系统:Tribochemically-Generated色碳薄膜
高et al。(高et al ., 2021)已经证明可靠superlubricity使用三氧化二锑(某人的组合2O3要看更多有关憩苑)和硅酸镁氢氧化物上涂上一层碳(/ C)到一个镍超耐热不锈钢衬底。1∼µm厚度的涂层沉积在镍超耐热不锈钢使用基础三氧化二锑(某人的抛光2O3)层,然后要看更多有关憩苑的一层同轴/ C层添加的某人2O3层。尽管相对软涂层的性质(硬度∼2 GPa),这种材料组合产生superlubricity较低,稳态摩擦的0.008升高温度为300°C。他们的研究结果表明superlubricity是引发了某人通过贱金属的钝化2O3-MSH / C从而防止-金属直接接触,随后原位摩擦焊接tribopairs和相关峰值。除了物理分离的摩擦学的接触,观察高温superlubricity是归因于tribochemically-generated碳色表面tribofilm -O-H和Si-O团体的形成就是明证原位拉曼和TEM的调查。
MSH-MoS2系统:结构水解吸使层间剪切
观察高温superlubricity进一步扩大了系统的结合2O3要看更多有关憩苑的(基础层)和复合涂料的−金属氧化物半导体2(王et al ., 2021)。观察高温superlubricity只在温度超过100°C,强烈表明蒸发或分解的水分子必须有一个直接影响降低摩擦。王et al。(王et al ., 2021要看更多有关憩苑)透露,−2O3−金属氧化物半导体2复合涂层呈现的润滑摩擦(= 0.075)在室温下的实验中,和惊人的性能提高了一个数量级的摩擦系数在200°C以上0.007。这个温度依赖性摩擦高于蒸发水被破译通过DSC−TG分析表明,温度升高加速结构的破坏水(羟基Mg−O /哦八面体片),其后续焊接表面的元素,从而直接减少摩擦。虽然没有金属氧化物半导体的结构或形态重新定位2要看更多有关憩苑或观察晶体在TEM和拉曼,水解吸可能放大层的层间间距,使容易滑倒。这种热物理的效应受固有色2O3和金属氧化物半导体2发挥协同效应的superlubricity过程(图8)。
图8。示意图的宏观尺度superlubricity MSH-Sb完成2O3金属氧化物半导体2复合涂层在高温下。允许转载(王et al ., 2021)。
铁氧化物和DLC系统:高温分解阶段Superlubricity驱动
努力向高温superlubricity还涉及DLC膜的使用。曾庆红et al。(曾庆红等人。,2015年)研究了DLC的润滑性和钢铁tribopair室温和700°C的环境大气条件。最低的稳定的摩擦系数,即。,0.008是观察到600°C。虽然DLC是观察到的在较低温度下影响不稳定,据报道进行快速的石墨化温度升高。观察到的现象归因于原位色gamma-Fe等氧化物的形成2O3和硅,首选低剪切行为相比其他同素异形体。必须指出的是,这种行为不是预期或纯氧化物,但只有在复杂的复合氧化物对DLC滑动。这些复杂的复合氧化物的高温摩擦特性不同于他们的房间温度的行为。自有复合氧化物在上述数据链路控制系统,软gamma-Fe2O3高强度SiO阶段是化学结合2通过共价接枝阶段,形成一个稳定的结构,作为功能性接触表面之间的固体润滑剂。
石墨烯Oxide-MoS2系统通过封装
实现可靠的高温润滑与二维材料,如石墨烯/氧化石墨烯和金属氧化物半导体2,通常是有限的过程与材料降解,夹层结构的水、石墨化或玻璃化的石墨烯(哈雷和伯,2013年;哈雷和伯,2014年)。金属氧化物半导体的superlubricity2石墨烯/氧化石墨烯系统在滑动,滑动滚在室温条件(Mutyala et al ., 2019 a;Mutyala et al ., 2019 b),但他们表现出更高的摩擦在升高的温度下。解决挑战温度升高时,金属氧化物半导体2片封装有保护性的石墨烯氧化物薄膜,阻止氧化的金属氧化物半导体2当暴露在周围的氧气和水(Sumant和Ayyagari)。产生的气刷沉积涂层表现出superlubricity政权在200°C以上。这种效果是由于金属氧化物半导体层钝化和anti-intercalation2导致界面剪切强度极低(图9)。
图9。钝化的金属氧化物半导体2片通过封装保护氧化石墨烯表。允许转载(Ayyagari et al ., 2020)。
新兴超级色材料和方法
最近,一系列新材料的发现,重点在superlubricity研究已被重定向到这些新系统的探索,比如黑磷和MXenes。
黑磷
post-graphene 2 d材料中,黑磷(BP)是一个冉冉升起的新星,最近得到了太多的关注由于其优异的摩擦学性能。类似于其他二维材料,英国石油公司也有一个分层结构,其独特和长皱纹的过程和各向异性几何提供了优越的光学、电子和机械性能(道et al ., 2015)。BP nanosheets可以用作添加剂材料结合石油或水基润滑剂。作为油基润滑添加剂,超薄BP nanosheets可以很容易地进入接触面积,形成固体润滑tribofilm防止asperity-asperity之间的直接接触。王等人相比,英国石油(BP)的润滑性能,金属氧化物半导体2nanosheets分散在十六烷,发现BP nanosheets摩擦学的优越性能在最低浓度水平的0.1 ppm (王et al ., 2018 a)。最近唐等人的实验和模拟研究表明,摩擦系数从0.1到0.006十八烯酸可以减少的只有0.1 wt. % BP nanosheets (唐et al ., 2021)。此外,结合BP和其它色材料可以创建一个协同效应来减少摩擦。最近的一项研究唐等人报道了摩擦系数低至0.034的Ag / BP在PAO-based油纳米复合材料(唐et al ., 2020)。在一个相关的研究中,罗等。罗et al ., 2021)表明,BP结合其他润滑材料(TiO2,直到4)也可以减少PAO的摩擦系数6油降至0.063。这些提到的研究得出结论:BP nanosheets能够催化原位形成碳基tribofilms通过基础油分子的分解。这些tribofilms通常已知不仅减少界面剪切强度减少摩擦,但也提高耐磨性高压滑动条件下(Erdemir et al ., 2016;Argibay et al ., 2018;伯曼和Erdemir, 2021;Shirani et al ., 2021)。
作为水基润滑添加剂,BP可以有效实现superlubricity甚至严重滑动条件下。BP nanosheets修改与羟基(BP-OH) superlubricity展出不同滑动速度下的摩擦系数在0.006和0.0006之间,添加剂浓度,赫兹接触压力条件(王et al ., 2018 b)。这是由于界面的保留色水层BP nanosheets相连通过氢键。在类似的研究中,任正非et al。(2021)报道说,部分氧化BP nanosheets (oBP)能保持液体superlubricity摩擦系数为0.0017甚至在超高接触压力(1.2∼GPa)。氧化或称羟基封端BP nanosheets可以被困在滑动接触和分离的改变接触区摩擦对Si3N4/蓝宝石oBP / oBP。分子动力学模拟显示,这些被困英国石油nanosheets P-O和警:哦债券在氧化形式,同时也促进水分子的吸收和保留BP表面。这些保留水层减少nanosheets之间的摩擦,促进superlubricity (图10)。在文学,虽然这些概念是普遍存在一些研究声称superlubricity来自英国石油公司的滚动效果和磷氧化物的结构转换。BP的退化和仪转型最终导致极低的剪切强度tribofilm的形成,降低了摩擦系数显著(任et al ., 2020;刘et al ., 2021)。
图10。插图显示之间的困oBP nanosheets Si的滑动接触3N4和蓝宝石。oBP nanosheets吸收自由水分子和创建一个色边界膜,减少摩擦。图改编和允许转载(任et al ., 2021)。
类似的润滑接触,BP还显示了一个协同效应,以减少在水润滑条件下摩擦与其他二维材料,如使用时(郭et al ., 2019)。
MXenes
MXenes,另一个相对较新的和迅速增长的二维层状材料家族的成员,大多是过渡金属碳化物、氮化物、碳氮化物基于MAX-phases。MXene的电气和化学性质都已经被广泛地研究过了多年来意识到实施能源存储设备如超级电容器、锂离子电池等领域的应用。除了他们的杰出的机械强度和抗弯刚度,MXenes有许多其他属性,让他们的候选人作为润滑材料摩擦学的应用程序。例如,石墨烯和BP, MXenes也有一个分层结构和层间剪切强度低传授自润滑特性。此外,更高的表面积与体积比和丰富的表面官能团特征使他们能够大大提高matrix-filler粘结强度时被用作添加剂。然而,尽管这些独特的属性和巨大的潜力,成为新一代固体润滑材料,令人吃惊的是很少为摩擦学的研究集中在他们的使用应用程序。
在MXene家庭,碳化钛(Ti3C2)是最常见的一种材料,已在许多领域调查。当用作钢基体上涂层材料,Ti的friction-induced石墨化3C2会导致色tribofilm阻止-金属直接接触,降低磨损率和摩擦10 4次,分别为(郭et al ., 2019)。“透明国际”3C2Tx-nanoparticles也发现非常有效(300%),防止胶,磨料,tribo-chemical穿在湿度很低。观察到的效果与不同表面终端包括- o、-哦,和- f组和夹层的水,降低了界面结合强度,从而导致更低的界面剪切强度和在干滑动摩擦力在不锈钢表面(Rosenkranz et al ., 2019)。“透明国际”3C2Tx纳米粒子也被用来增强聚合物基复合材料。张等人报道的3C2纳米颗粒的粘着磨损和摩擦犁UHMWPE下降,导致平滑磨损表面比纯UHMWPE (Zhang et al ., 2016)。“透明国际”3C2/石墨烯混合(电动发电机)与包装结构成功纳入环氧矩阵来减少穿81 - 88% (燕et al ., 2020)。作者得出的结论是,石墨烯的自润滑和协同效应和MXene混合包装结构,结合tribofilm在滑动界面的形成,导致这个杰出的磨损性能。
在最近的许多作品,Ti3C2Tx MXenes被合并为一种添加剂材料开发金属基复合材料。胡锦涛等人报道3C2Tx /铝复合的咖啡两次低于裸铝在干滑动条件(胡锦涛等人。,2020年)。梅等。梅et al ., 2019)设计钛3C2nanosheets /铜复合涂料,磨损率和46%和19倍低于他们的Ti3C2无。“透明国际”3C2丰富紧凑tribolayer形成磨损表面,减少了直接与金属接触,同时提供了简单的接触界面的剪切。最近,阴et al。(阴et al ., 2019)报道钛3C2/金刚石涂层显示ultra-wear阻力几乎没有明显下滑对聚四氟乙烯球时穿。原子尺度和宏观尺度特征揭示了原位形成的纳米tribofilm滑动界面。独特的润滑机制源自聚四氟乙烯综合效应的自润滑效果,其多孔结构将纳米粒子tribofilm, MXenes简单剪切层,和下班纳米金刚石的影响,导致高度灵活的高分子链运动和超低表面能的接口。计算最近的一项研究报道非常低的能量之间的壁垒MXene层和显示3C2−哦和−OCH MXene终止3层间摩擦系数较低的相比-O-terminated表面组(阴et al ., 2019)。许多最近的研究也报道使用Ti3C2MXene作为添加剂材料改善基础油的摩擦性能,扩大层间间距,提高负载能力,形成统一和连续tribofilm (杨et al ., 2014;刘et al ., 2017;雪et al ., 2017;Zhang et al ., 2019)。
所有上述研究利用MXene单独或结合其他2 d材料或润滑剂证明MXenes作为固体润滑剂有很大的潜力。然而,这些研究superlubricity报道。实现这一目标的一个方法是使用它们与其他色材料,如DLC或甘油。黄等。黄et al ., 2021)报道Ti滑动时摩擦系数为0.0063C2MXene沉积在SiO2涂硅(Si)基质对DLC-coated配合端面在干燥氮气环境。此外,他们发现石墨烯的加入3C2对摩擦磨损有协同效应,降低摩擦系数和磨损率37%和3倍,分别。易等。(易et al ., 2021 a)表明,摩擦可以减少至0.002和保持至少3个小时当甘油与钛掺杂3C2MXene。MXenes当添加甘油作为Si之间的润滑剂3N4观察球和蓝宝石磁盘tribopair形成tribofilm包含主要是胶体硅氧化物和氧化钛(图11)。这些tribofilms得到均匀吸附在摩擦副,防止直接粗糙面接触。中的氢离子和氢氧根组tribofilm也与MXenes交互通过氢键产生水化层nanoflakes降低液膜的剪切强度。因此,摩擦是减少一系列Ti之间的协同润滑效果3C2Tx MXene nanoflakes和甘油。润滑效果往往减少MXene含量更高的添加剂。这是由于集聚MXene nanoflakes和随后的碰撞这些聚集在滑动导致摩擦系数的增加。然而,相比其他二维材料,非常容易聚集形成,如石墨烯或金属氧化物半导体2,“透明国际”3C2Tx MXene nanoflakes能保持均匀分布在甘油溶液的时间长得多。
图11。插图显示在Si superlubricity机制3N4/蓝宝石公司接触的Ti3C2Tx MXene nanoflakes甘油媒体。允许转载(易et al ., 2021 a)。
尽管技术进步与MXene添加甘油,真正的工业可行性只能意识到当MXenes商业化和可靠的实现大规模生产。然而,从技术的角度来看,将无功2 d材料可以形成氢氧化钝化物种,使诱捕自由甘油和水分子可以是指导未来进化的模板。
电势激活Superlubricity
的扩张的知识superlubricity机制,新工作的重点是手动控制的摩擦。这个概念最近提出了控制电势的超低摩擦行为的应用程序(李et al ., 2014;法et al ., 2015;Di莱切et al ., 2020)。为此,一个新的类液体润滑剂、离子液体(IL),被认为是一种很有前途的候选人。摩擦学的研究表明,盲降的润滑特性可以由应用程序控制和操纵的滑动润滑表面的电势。李等人。李et al ., 2014)在AFM实验证明ILs限制硅尖和石墨表面之间的可极化达到超低摩擦(superlubricity)原位。然而去极化,抑制superlubricity和增加摩擦。
法等。法et al ., 2015)进一步在理论上的可行性评估控制层之间的摩擦nanoconfined离子液体(图12)。在模拟中,作者提出了IL一层单独面对面带电球体相互作用的混合通过短程排斥Lennard-Jones和库仑势。结果表明减少摩擦与表面增加电压和建议负离子丰富的边界层更有利的简单剪切。因此,superlubricity被强大的交互激活离子层的表面保持润滑油的存在和剪切滑动界面。
图12。(两者)模型的示意图(D)pPotential能源为阳离子表面滑动。(E)摩擦负载的函数的变化和增加应用的潜力。(F)负责摩擦力的依赖关系,显示了两个负载,188 MPa(绿色曲线)和500 MPa(蓝色曲线)。允许转载(法et al ., 2015)。
因此,未来努力superlubricity不仅可以进一步指示的设计更复杂的物质系统,还到外部操纵摩擦力的应用领域。
结论和未来的发展方向
从上述,很明显,已经取得了重大进展不仅superlubricity原子/个分子级的理解,而且在合成和大规模的示威游行的superlubricity无数新材料、涂料、润滑油。特别是,新颖的二维材料的发现,已经有在出版物关注superlubricity爆炸。与最近的进步计算机建模和仿真工具,我们现在有一个更好的理解底层机制等也帮助我们更好地理解设计表面达到superlubricity。所有这些发展的高潮,现在看起来更可行的设计和制造新的摩擦学系统能够满足越来越严格的应用环境未来的机械系统。特别是,新的2 d MXene和黑磷等材料看起来非常有希望实现superlubricity工业规模的系统中特别是在液体润滑系统使用时也包含高度极性分子。无论类型,大多数材料的superlubricity似乎强烈受许多环境和test-condition-specific因素的影响。例如,测试环境的化学状态似乎有强烈影响super-lubricious材料和涂层的摩擦磨损性能。具体地说,一些二维材料需要惰性或超高真空条件下提供超低摩擦,而其他人似乎取决于分子物种像水和极性或酒精等分子提供superlubricity。在动态滑动,这些分子反应或实现协同交互最小化粘合剂因此摩擦。与此同时,在一些其他材料系统,如DLC,金属氧化物半导体2,和石墨烯的反应与环境的物种可能有不利影响;在某种意义上,他们倾向于提高附着力,因此摩擦。
重要的是要注意,在所有的审查情况下,液膜的表面布置得井然有序或斥力。没有直接与金属接触防止强力胶的崛起力量和铌的或粗糙的效果,只有发挥作用时,如果有直接或亲密接触。考虑到所有真正的工程表面很粗糙,充满在原子尺度上结构缺陷;可能出现额外的粗糙度或耕作对摩擦的影响,从而阻碍superlubricity诱导液膜润滑(Hirano 2006;Tartaglino et al ., 2006)。此外,液膜润滑通常不是一个可行的解决方案在低摩擦的情况下大部分材料或涂料可能是唯一的选择。例如,对于许多可移动的消费设备,笔记本电脑铰链,桌面老鼠,触摸屏,炊具,儿童玩具,仅举几例,石油或grease-based润滑系统是不切实际的。此外,许多机械系统在生产过程在真空条件下操作(半导体行业的光刻机、真空压缩机,食品包装行业,等等),液膜润滑可以造成污染,甚至过程失败。最后,另一个典型的例子是空间应用程序。航天飞机和卫星富含摩擦学的组件,但大多数材料不能维持空间环境的极端条件。
基于所有这些机械的理解,我们现在到达指定点或新材料的设计接口,可以可靠地提供极低的摩擦系数(图13)。特别是,结合了人工智能和机器学习算法的界面设计,看起来,在不久的将来,我们将能够达到和维持超低摩擦对需求或很久滑动距离或非常高的接触载荷。因此,未来的研究活动superlubricity应该利用先进的计算工具和方法来预测和可靠的设计、合成,并验证新材料或表面能买得起superlubricity从而帮助减少能源损失摩擦磨损;最终支持全球可持续发展目标。
图13。superlubricity材料的未来发展方向和范围,方法和系统。
作者的贡献
AE和DB构思综述的局部区域;AA和KA帮助和文献调查数据,所有作者的文本。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
确认
DB和AA承认支持这项工作由美国国家科学基金会(NSF)(奖号2018132)。AE和IA承认德克萨斯农工工程实验启动基金和州长的大学研究计划。作者也感激梅根Simison j . Mike Walker的66机械工程系,德州农工大学,编辑的帮助。
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关键词:摩擦、磨损、涂料、自适应材料、二维材料
引用:Ayyagari,阿拉姆KI,伯曼D和Erdemir(2022)进展Superlubricity不同媒体和材料著复习。前面。动力机械。英格8:908497。doi: 10.3389 / fmech.2022.908497
收到:2022年3月30日;接受:07年6月2022;
发表:2022年8月12日。
编辑:
Valentin l·波波夫德国,柏林技术大学版权©2022 Ayyagari,阿拉姆,伯曼和Erdemir。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
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