近期，青海大学部省合建盐湖化工大型系列研究设施稀有元素分离提取团队余国民副教授，联合中国科学院兰州化学物理研究所纳米润滑课题组，以第一作者身份在国际材料学权威期刊Carbon（IF="10.5，TOP期刊）上发表题为“The establishment of superlubricity in engineering field for H-DLC composite in multi-environments”的研究论文。

图1 超滑材料的应用领域

摩擦和磨损是现代机械工业面临的重要挑战，是发展长寿命、高可靠性装备亟待解决的核心课题。全球约1/3的一次能源因摩擦而消耗，约80%的机械零部件失效因磨损而产生，二者造成的经济损失占全球GDP的比重高达2%~7%。超滑是指界面间摩擦作用接近于零的状态。在摩擦学中，将摩擦系数低于0.010的摩擦状态定义为超滑。超滑性能的实现将从根本上解决由摩擦和磨损引起的能源损耗和机械失效的问题。超滑材料可广泛应用于深空探索、超高马赫空天飞行器、高速列车和风力发电等领域。其主要应用场景如图1所示。

图2 MoS2/H-DLC异质摩擦界面示意图

含氢类金刚石薄膜（H-DLC）具有高硬度、低摩擦、低磨损和优异的化学稳定性，是最有可能实现工程级应用的超滑材料。然而，当环境中存在氧和水分子时，摩擦过程中H-DLC表面被氧化，导致超滑性能失效。针对上述问题，该团队利用二维MoS2材料通过滴铸法构筑了MoS2/H-DLC复合薄膜，并在氧气和潮湿大气中（RH<30%）实现了稳定的宏观大尺度超滑性能。结果表明，在摩擦剪切作用下，该复合薄膜在对偶材料表面形成了MoS2转移膜。在摩擦过程中，该转移膜与H-DLC薄膜形成了异质摩擦界面，该界面的形成是MoS2/H-DLC复合薄膜在不同气氛中实现宏观大尺度超滑性能的必要条件。该异质摩擦界面的示意图如图2所示。

图3氧气掺入对MoS2/H-DLC复合薄膜超滑性能的影响

该团队研究结果表明，MoS2/H-DLC异质摩擦界面在惰性气氛（如N2、Ar和CO2）中可实现超滑，但寿命很短。MoS2转移膜的破坏是导致该复合薄膜在惰性气氛中超滑性能快速失效的直接原因。反常的是，该异质摩擦界面在氧气环境中反而能够实现长寿命超滑。惰性气氛中引入氧分子也可以显著延长其超滑寿命。惰性气氛中引入氧分子后复合薄膜的摩擦性能如图3所示。水分子也表现出类似的作用。在潮湿空气中（RH<30%），该复合薄膜与所有对偶材料组成的摩擦体系都实现了稳定的超滑。研究结果表明，氧和水分子的关键作用在于使MoS2在对偶材料表面形成稳定的转移膜，并诱导摩擦过程发生在MoS2转移膜与H-DLC薄膜间形成的摩擦界面，从而赋予该体系稳定的超滑性能。

为了彻底突破环境气氛对MoS2/H-DLC复合薄膜超滑性能的限制，该团队将氧化石墨烯（GO）引入到该复合体系制备了GO/MoS2/H-DLC复合薄膜并对其摩擦性能进行了研究。结果表明，GO的引入可有效地促进形成稳定的MoS2/H-DLC异质摩擦界面，该异质摩擦界面可同时在惰性环境和活性气氛中实现宏观大尺度超滑性能。通过以上研究，该团队在宏观尺度上成功解决了H-DLC薄膜在氧气和潮湿空气中超滑失效的难题，达到了同时在惰性环境和活性气氛中实现宏观大尺度超滑性能的目标，为H-DLC超滑性能的广泛应用奠定了坚实的研究基础。系列研究工作分别发表在Carbon、Journal of Colloid and Interface Science、Ceramics International、Diamond & Related Materials等国际期刊上。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119621。