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研究进展

2025-05-15 本文来自《摩擦学学报》2022年第42卷第1期，由广东工业大学谭桂斌团队和国家橡塑密封工程中心黄兴团队等合作完成。该团队从全系统流-固-热-动多物理场耦合时的软润滑机理出发，简要介绍了软材料密封的摩擦学系统模型，讨论了极端工况、尺度和环境下软材料的各种摩擦与润滑在线测试技术，以及国内外在极端工况下高端橡塑密封件试验台架和基础数据库的最新研究进展。高性能密封、液压、轴承等技术门槛高、创新性强、根植性深，难以轻易模仿，需要长期投入和积累，被称为制造业中的“硬科技”，对于“国之重器”的性能、质量和可靠性具有“锚定”作用。; ;如果将高端装备视为工业的“心脏”，关键核心橡塑密封就是高端装备“心脏瓣膜”，属于世界前沿的高精尖技术，在国民经济建设、国家安全和尖端科学技术发展中占据着非常重要的战略地位。据了解，橡塑密封行业发挥着极其重要且不可替代的“四两拨千斤”的作用，取得了巨大的社会与经济效益，赢得了“小行业里的大行业”的赞誉。同时，软材料密封作为高端装备的“心脏瓣膜”，如果“瓣膜”漏了、坏了，出现“失血过多、动脉受损”等恶性事故，将导致整机设备的休克、瘫痪，乃至人员伤亡等事故。在1986年1月28日，美国“挑战者号”航天飞机就因为右侧固体火箭助推器的1个“O”形密封圈失效，导致发射升空73秒时爆炸，牺牲了7名航天员，是人类探索宇宙的一次巨大灾难。毫不夸张地说，一些关键密封件的有效性甚至能决定一个航天器（航空器）的命运，是工业发达国家的科技竞争高地。针对“深空、深海、深地、极地探测”不同的服役工况和设备类型，制造商开发了各种各样的软材料密封装置或结构，以适应复杂多变的装备服役环境。从零部件摩擦学的角度看，软材料密封副包含了橡胶摩擦学系统问题，它与宏观参数、微观特征、运行工况和润滑液膜等因素相关，这就要求研究人员开发和应用零件摩擦副的宏/微观测试技术。 ;; 图;1;;;Spikes课题组的软材料摩擦界面在线观测示意图随着中国航天航空、能源电力、智能新能源汽车等产业发展，要提高国产化替代率，我国橡塑密封行业面临着历史性的发展机遇。“十四五”期间，国家在关键基础件及元器件、基础软件、基础材料等产业投入了大量的资金和资源，同时也有越来越多的人开始关注“工业强基”和零部件摩擦学，新型的在线测试技术和装备等也应得到更多的关注。大变形软材料接触摩擦的在线测试装备与技术分析

2025-04-25 本文来自《摩擦学学报》2022年第42卷第1期，由广东工业大学谭桂斌团队和国家橡塑密封工程中心黄兴团队等合作完成。该团队从全系统流-固-热-动多物理场耦合时的软润滑机理出发，简要介绍了软材料密封的摩擦学系统模型，讨论了极端工况、尺度和环境下软材料的各种摩擦与润滑在线测试技术，以及国内外在极端工况下高端橡塑密封件试验台架和基础数据库的最新研究进展。高性能密封、液压、轴承等技术门槛高、创新性强、根植性深，难以轻易模仿，需要长期投入和积累，被称为制造业中的“硬科技”，对于“国之重器”的性能、质量和可靠性具有“锚定”作用。; ;如果将高端装备视为工业的“心脏”，关键核心橡塑密封就是高端装备“心脏瓣膜”，属于世界前沿的高精尖技术，在国民经济建设、国家安全和尖端科学技术发展中占据着非常重要的战略地位。据了解，橡塑密封行业发挥着极其重要且不可替代的“四两拨千斤”的作用，取得了巨大的社会与经济效益，赢得了“小行业里的大行业”的赞誉。同时，软材料密封作为高端装备的“心脏瓣膜”，如果“瓣膜”漏了、坏了，出现“失血过多、动脉受损”等恶性事故，将导致整机设备的休克、瘫痪，乃至人员伤亡等事故。在1986年1月28日，美国“挑战者号”航天飞机就因为右侧固体火箭助推器的1个“O”形密封圈失效，导致发射升空73秒时爆炸，牺牲了7名航天员，是人类探索宇宙的一次巨大灾难。毫不夸张地说，一些关键密封件的有效性甚至能决定一个航天器（航空器）的命运，是工业发达国家的科技竞争高地。针对“深空、深海、深地、极地探测”不同的服役工况和设备类型，制造商开发了各种各样的软材料密封装置或结构，以适应复杂多变的装备服役环境。从零部件摩擦学的角度看，软材料密封副包含了橡胶摩擦学系统问题，它与宏观参数、微观特征、运行工况和润滑液膜等因素相关，这就要求研究人员开发和应用零件摩擦副的宏/微观测试技术。 ;; 图;1;;;Spikes课题组的软材料摩擦界面在线观测示意图随着中国航天航空、能源电力、智能新能源汽车等产业发展，要提高国产化替代率，我国橡塑密封行业面临着历史性的发展机遇。“十四五”期间，国家在关键基础件及元器件、基础软件、基础材料等产业投入了大量的资金和资源，同时也有越来越多的人开始关注“工业强基”和零部件摩擦学，新型的在线测试技术和装备等也应得到更多的关注。大变形软材料接触摩擦的在线测试装备与技术分析

兰州化物所机械训练设计超强共晶凝胶获重要进展 2025-04-22 随着机械设备向精密化、大型化、自动化、集成化和智能化等方向的快速发展，对极端工况下高强度应变压力传感材料的需求日益增加。近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室摩擦物理与传感团队提出了“超滞后介导机械训练策略”，集成分子和结构的正交协同耦合作用，构建了超强韧的共晶凝胶并设计了离子压电机械传感器，实现离子流驱动的力电传导，为软材料的极端力学性能及力−电耦合设计提供了新范式。超强凝胶通常模量和强度较高，但力学韧性一直是挑战。该研究通过将低共熔溶剂（DES）引入半结晶性PVA水凝胶中进行机械训练，实现了超高强度与优异韧性的兼容（图1）。在溶剂置换过程中，通过氢键重构促进PVA结晶增强，形成密集的纳米晶域并赋予超滞后效应，实现单次预伸展的“超滞后介导的机械训练”。同时，得益于超滞后的结构阻滞效应，机械训练后的单网络凝胶还可进一步浸泡前驱液，并通过自由基聚合构建化学交联的第二网络形成层级互穿。此层级互穿的双网络结构赋予凝胶材料微观协同介观的多尺度能量耗散特性，极大地提升了力学性能，其断裂强度达~ 85.2 MPa、杨氏模量为~ 98 MPa、断裂韧性提升至~ 130.6 MJ·m−3，远优于目前报道的强韧聚合物凝胶体系（图2）。图1.超滞后介导机械训练的设计理念和策略优势。图2.超滞后介导机械训练的力学强化成果展示。界面之间的运动、行为会耗散大量的机械能，比如界面摩擦，润滑是减小能源消耗的有效途径。然而，对于一些极端工况，界面的机械耗散是不可避免的，为此，针对极端环境下的高承载或高抗冲击工程软材料需求，超滞后介导的机械训练构建的超强共晶凝胶可通过力电转导的方式收集机械能，并将转化的电能作为传感信号反映压力应变（图3），该研究展示了共晶凝胶在高温环境中的力学稳定性及作为离子压电机械感受器在压力驱动力电转导的响应性能，实现了强韧力学与电学性能之间的力−电耦合的协同设计，为性能和功能的适配耦合提供了全新的设计范式和构建策略。图3.超强共晶凝胶作为离子压电机械感受器的应用演示。该研究工作以“Ultrastrong eutectogels engineered via integrated mechanical training in molecular and structural engineering”为题发表在Nature Communications上。兰州化物所博士生许成功为该论文第一作者，兰州化物所冯雁歌副研究员、王道爱研究员和刘维民院士为共同通讯作者。以上研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、甘肃省重大科技专项等项目的支持。

兰州化物所智能黏附研究获新进展 2025-04-03 自然界中，以壁虎、树蛙和蜗牛为代表的生物体能通过可逆调控界面黏附实现垂直甚至倒立表面的运动。这种独特的运动能力源于其快速可逆的黏附状态切换机制。然而，在合成材料体系中实现高/低黏附态的快速可逆转换仍面临挑战，主要受限于材料双稳态的稳定性、状态切换的动力学速率以及两态间的黏附性能差异三个关键因素。近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室周峰研究员团队与西北工业大学合作，基于软物质表面分子的动态构象转变机制，发展了一种具有快速可逆黏附调控功能的智能水凝胶材料。研究人员通过将Fe3O4纳米颗粒的光热转换效应（源于带间电子跃迁和缺陷态吸收）与N-异丙基丙烯酰胺的温敏特性相耦合，成功实现了近红外光远程控制的黏附性能可逆切换。图1. 智能水凝胶的设计与制备研究人员进一步揭示了其作用机制，通过近红外光激发纳米颗粒产生热效应，诱导水凝胶发生温度响应性相变，实现软物质表面水分子的渗出/吸收，改变其表面亲水羧酸基团的分子构象，进而可逆地控制邻苯二酚基团的屏蔽和暴露。这种基于界面分子构象变化调控的黏附机制具有无残留、可重复使用的特点，为智能黏附材料的开发提供了新思路。图2. 水凝胶黏附性能变化的表面润湿性机制该智能水凝胶的黏附行为表现出显著的温度响应特性。在高温相（>LCST），表面水化作用促使羧酸基团迁移至界面，有效屏蔽儿茶酚基团，导致界面相互作用显著减弱（黏附强度<0.3 kPa）。而在低温相（<LCST），儿茶酚基团充分暴露，界面相互作用形成，呈现高黏附状态（黏附强度>7.5 kPa）。系统研究表明，增加界面载荷和接触时间都仅能促进低温状态下的界面黏附，而对高温黏附性能无显著影响，这也进一步证明了高温条件下界面水对相互作用形成的有效屏蔽作用。此外，该黏附水凝胶材料表现出优异的智能黏附性能和广泛的基材适用性，实现了从无机到有机材料表面的可逆黏附。为进一步验证黏附水凝胶材料的可控性，研究人员实验演示了水凝胶在不锈钢基板上的光热响应行为，初始状态下可稳定悬挂50g重物，近红外光照后因黏附性能切换而黏附失效。图3. 智能水凝胶的光控脱黏试验上述研究，成功发展了一种具有光热响应特性的智能水凝胶材料。通过协同整合温敏性聚合物网络与光热纳米颗粒，实现了材料黏附性能的远程精准调控。该材料体系在创面修复、柔性电子器件和软体机器人等新兴领域展现出重要的应用前景，为智能黏附材料的设计提供了新的研究思路。相关研究成果以“Light-controlled Adhesive Hydrogels for On-Demand Adhesion”为题发表在Chem & Bio Engineering上。同时，该成果已被美国化学学会发行的新闻周刊chemical & engineering news（C&EN，全球最具权威和影响力的化学新闻来源之一。）以“New hydrogel offers light-controlled reversible stickiness”为题报道。以上工作得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程等项目的支持。

高端装备界面科学与技术全国重点实验室李津津课题组在绿色低粘润滑油添加剂设计上取得进展 2025-03-31 近日，高端装备界面科学与技术全国重点实验室李津津副教授团队在设计开发新型绿色润滑材料上取得进展。相关成果以“In-situ catalysis of green lubricants into graphitic carbon by iron single atoms to reduce friction and wear”为题发表在Nature Communications期刊上。论文设计了一系列不含硫、磷元素的二酯类绿色润滑油添加剂，在超低粘度的润滑油中具有优异的抗磨减摩性能。该工作对摩擦过程中的表面催化、分子结构与润滑性能之间的构效关系做了深入研究。导读：摩擦和磨损是影响机械系统效率和寿命的关键因素。传统润滑油添加剂，如二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP），尽管在减少磨损方面表现出色，但其含有的硫和磷元素会对环境造成污染，并造成汽车尾气催化转换器的毒化。因此，开发低磷、低硫，甚至无磷、无硫的添加剂成为新型绿色润滑材料的发展趋势。尽管现有研究中常采用石墨烯、碳纳米管、氮化硼等纳米材料作为润滑油添加剂，但是其在液体润滑油中尝尝面临易团聚、难分散等问题，难以工业化应用。一个可行的方案是在摩擦界面原位生成类石墨结构，从而减小摩擦和磨损。近期，Nature Communications报道了清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室雒建斌院士团队李津津副教授在基于前期研究基础，开发了一系列二酯类添加剂，并取得了优异的抗磨减摩效果。其中最为典型的苹果酸二辛酯（DOM），其作为低粘油聚α烯烃（PAO2）的添加剂时，可以将摩擦系数降低50%，磨损体积减小80%，具有比工业添加剂ZDDP更低的摩擦系数和相近的磨损，且该类添加剂在2.78GPa的极高接触压力下也可以维持稳定的抗磨减摩效果。通过对摩擦后磨痕的分析，发现该类添加剂可以在磨痕上生成一层被光学显微镜观察到的摩擦膜（tribofilm），且该摩擦膜在磨痕表面的面积覆盖率与跑合期间摩擦系数的降低趋势刚好吻合（图1h），从而验证了该摩擦膜优异的减摩效果。图1 不同添加剂在聚α烯烃 (PAO) 中的摩擦学性能对比作者通过纳米力学分析、表面化学分析等进一步解释了该摩擦膜在微纳尺度上具有更低的杨氏模量（图2b,c）、粘附（图2e）、剪切（图2d），从而可以实现宏观尺度的低摩擦、低磨损特性。该类摩擦膜的厚度约为30nm，其主要成分由类石墨碳材料构成（图2f, h）。图2 苹果酸二辛酯 (DOM) 形成的磨痕的纳米力学与表面化学分析作者进一步深入探究了摩擦过程中添加剂分子结构和摩擦副材料的影响。发现当二酯中羧酸部分长度增加到6个碳链长度时（图3，DOA， DOS），就无法生成类石墨结构，只能造成磨痕表面的氧化，生成氧化铁类化合物。但是当增加二酯分子结构中的醇的碳链长度时（图3，DOSN），依然可以生成类石墨结构。此处，作者推测由二酯类化合物生成类石墨结构的摩擦化学反应是一个类似于自由基聚合的过程，其中第一步自由基的引发因为需要额外能量的输入，因此成为整个反应的决速步骤。当二酯类分子中羧酸部分的碳链长度小于等于4时，C-C键断裂后，形成的自由基可以被两端酯键中氧原子上的孤电子对所稳定（图3j，DOT），因此显现出更低的C-C键解离能。这种更低的解离能有助于引发摩擦化学反应，从而生成类石墨结构。但是当二酯中羧酸部分的碳链长度达到6时（图3j，DOS），形成的自由基由于距离另一侧酯键的距离较远，无法被稳定，因此需要更高的解离能，无法快速有效的生成类石墨结构。图3 二酯类添加剂的分子结构对摩擦学性能及磨痕表面产物的影响分析作者也发现这种二酯类添加剂只能在金属铁表面才可以生成类石墨结构，从而减小摩擦和磨损，而在玻璃、蓝宝石等材料表面却不可以生成（图4）。此处，作者推测是因为金属材料表面的催化活性所导致的。但这里作者提出当摩擦膜的厚度生长到5nm后，就阻碍了金属基底与有机分子的传质作用，导致金属基底无法催化生长摩擦膜到30nm的厚度(图4a)。但作者另外发现，轴承钢摩擦副在摩擦过程中可以产生铁单原子，从而嵌入在类石墨摩擦膜结构中，实现金属催化剂与有机小分子的持续传质作用(图4b)，从而催化生长至30nm纳米厚度的类石墨摩擦膜。有趣的是，块体金属材料通过摩擦作用产生单原子的现象，在机械化学领域也得到验证与关注（Abrading bulk metal into single atoms. Nat. Nano-technol.17,403–407 (2022)）。图4 苹果酸二辛酯 (DOM) 在不同材料表面的摩擦学性能对比以及表面传质机理示意图为进一步验证机理，作者通过反应分子动力学模拟了该类分子在金属铁和二氧化硅（玻璃主要成分）的路径过程，发现其只能在金属铁表面才可以发生脱氢、重整成碳环的现象，进一步验证了金属催化的效应。图5 苹果酸二辛酯 (DOM) 分子在Fe表面的结构演变示意图该工作有力揭示了摩擦界面过程中润滑剂分子结构以及固体摩擦副对类石墨结构生成的影响，有助于为设计新型绿色润滑材料提供借鉴思路。该工作第一作者为博士后宋伟，通讯作者为清华大学李津津副教授、天津工业大学张伟伟研究员。清华大学博士生马晓阳、欧阳楚可，博士后孙守义等，帝国理工学院Janet Wong，曾崇阳等对此工作做出重要贡献。该工作得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、中国博士后科学基金的支持。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58292-6

Ni基软硬复合涂层减摩耐磨性能研究 2025-03-21 Ni基软硬复合涂层减摩耐磨性能研究研究背景：在航空航天、轨道运输及汽车传动领域，摩擦磨损是造成金属零部件损坏的主要原因之一，固体润滑技术已成为增强摩擦性能及延长零部件服役寿命的有效手段。目前提升金属部件摩擦磨损性能研究主要聚焦于两个方面：一是在金属表面制备含固体润滑剂的硬质耐磨复合涂层，二是在金属表面微织构中填充具有减摩性能的固体润滑剂。但研究发现摩擦过程中会存在润滑层形成不完整、耐久性差等问题，且无法同时兼顾减摩耐磨性能。因此如何实现金属部件表面润滑层形成易控、减摩耐磨性能优异成为急需解决的难题。研究思路：本文提出了一种新型软硬一体复合涂层结构，即在20CrMo轴承钢表面激光熔覆工艺制备掺杂20%WC的Ni基硬质涂层，随后通过喷涂技术在涂层表面喷涂含MoS2的PTFE软质涂层，采用软硬一体复合涂层来实现减摩耐磨性能兼顾及润滑层形成可控。通过先进测试技术分析基体、Ni基硬质涂层以及PTFE软质涂层的结合性，并开展不同载荷工况下摩擦磨损性能试验研究，探究宽载荷范围下软硬一体复合涂层摩擦磨损规律，揭示Ni基软硬一体复合涂层协同减摩耐磨机理。研究背景：在航空航天、轨道运输及汽车传动领域，摩擦磨损是造成金属零部件损坏的主要原因之一，固体润滑技术已成为增强摩擦性能及延长零部件服役寿命的有效手段。目前提升金属部件摩擦磨损性能研究主要聚焦于两个方面：一是在金属表面制备含固体润滑剂的硬质耐磨复合涂层，二是在金属表面微织构中填充具有减摩性能的固体润滑剂。但研究发现摩擦过程中会存在润滑层形成不完整、耐久性差等问题，且无法同时兼顾减摩耐磨性能。因此如何实现金属部件表面润滑层形成易控、减摩耐磨性能优异成为急需解决的难题。研究思路：本文提出了一种新型软硬一体复合涂层结构，即在20CrMo轴承钢表面激光熔覆工艺制备掺杂20%WC的Ni基硬质涂层，随后通过喷涂技术在涂层表面喷涂含MoS2的PTFE软质涂层，采用软硬一体复合涂层来实现减摩耐磨性能兼顾及润滑层形成可控。通过先进测试技术分析基体、Ni基硬质涂层以及PTFE软质涂层的结合性，并开展不同载荷工况下摩擦磨损性能试验研究，探究宽载荷范围下软硬一体复合涂层摩擦磨损规律，揭示Ni基软硬一体复合涂层协同减摩耐磨机理。主要贡献：本文提出一种新型软硬复合涂层结构，同时具备了耐磨减摩双重作用；在宽载荷范围内，实现摩擦系数稳定在0.2以下，磨损量相较于基体降低87%左右；阐明了软硬复合协同减摩耐磨机制。潜在应用：Ni基软硬复合涂层尤其在中低载荷工况摩擦性能最为优异，有望应用于中低重载荷摩擦部件，如关节轴承和轻载液压装置等。本研究有望为多功能涂层设计及结构优化提供指导。作者简介/课题组介绍：刘锡尧，博士，西安工业大学副教授，研究生导师。致力于高端装备机械基础部件摩擦磨损性能调控、机械润滑与密封、精密及超精密加工的研究工作。近年来，主持国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划等科研项目10项，参与国家级、省部级等科研项目5项；以第一/通讯作者发表SCI/EI论文20篇，授权国家发明专利6项；获陕西省高等学校科学技术二等奖；担任多个中英文SCI/EI期刊的青年编委。主要贡献：本文提出一种新型软硬复合涂层结构，同时具备了耐磨减摩双重作用；在宽载荷范围内，实现摩擦系数稳定在0.2以下，磨损量相较于基体降低87%左右；阐明了软硬复合协同减摩耐磨机制。潜在应用：Ni基软硬复合涂层尤其在中低载荷工况摩擦性能最为优异，有望应用于中低重载荷摩擦部件，如关节轴承和轻载液压装置等。本研究有望为多功能涂层设计及结构优化提供指导。作者简介/课题组介绍：刘锡尧，博士，西安工业大学副教授，研究生导师。致力于高端装备机械基础部件摩擦磨损性能调控、机械润滑与密封、精密及超精密加工的研究工作。近年来，主持国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划等科研项目10项，参与国家级、省部级等科研项目5项；以第一/通讯作者发表SCI/EI论文20篇，授权国家发明专利6项；获陕西省高等学校科学技术二等奖；担任多个中英文SCI/EI期刊的青年编委。

我国学者在耐受极限温度水凝胶研究方面取得进展 2025-03-18 图 “锁水”水凝胶设计及其力学性能（a）“锁水”水凝胶微观结构示意图；（b）水凝胶在极端温度环境保持高弹性；（c）DSC测试表明-115℃至143℃维持稳定；（d）“锁水”水凝胶的极端温度力学性能稳定性 ;在国家自然科学基金项目（批准号：T2125009、12102388、92048302、12321002）等资助下，浙江大学杨卫院士团队李铁风教授、杨栩旭特聘研究员和其合作者罗自生教授、李栋副研究员等在耐受极限温度水凝胶研究方面取得进展，针对水凝胶在环境变化时发生相变，导致丧失其固有特性这一难题，通过分子层面的力学设计，提出一种通用性“锁水（hydro-locking）”策略，制备了能够在-115℃至143℃的温度范围内保持柔性与功能性的水凝胶。相关成果以“水凝胶锁水实现极端温度耐受性（Hydro-locking in Hydrogel for Extreme Temperature Tolerance）”为题，于2025年2月28日在《科学》（Science）上发表。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2711。 ;水凝胶是一种柔软的聚合物网络，其内部充满了水分子，温度的变化将会导致聚合物网络中的自由水分子蒸发或冻结，进而改变水凝胶的力学性能，使水凝胶延展性丧失且易断裂。传统的功能化改造与溶剂替换无法有效固定聚合物网络中的水分子，使得水凝胶所能承受的温度极限依然受制于所用溶液的相变温度。 ;针对上述问题，研究团队提出了一种“锁水”策略，即通过在水分子与高分子网络间形成桥接作用力，将水分子铆接在高分子网络中，从而抑制水的相变，以起到稳定水凝胶状态的效果。“锁水”策略可以通过硫酸与双网络水凝胶的相互作用实现：一方面，基于硫酸与水、硫酸与聚合物的强作用力，产生硫酸水合物成功地将水分子铆接在聚合物网络中，充分抑制了水在极端温度下的相变；另一方面，额外引入牺牲网络，与硫酸反应，在水凝胶高分子主链上原位产生碳层，用于保护主链并使高分子网络也具有极端条件下的稳定性。所获得的水凝胶在极限温度也保持高断裂韧性，在-100℃下伸长率达到3倍，140℃下也超过4倍。团队进一步在单网络凝胶与其他溶液体系中实现了该策略，验证了该策略的通用性。该研究揭示了水凝胶中的水分子对水凝胶力学性能与功能性的影响，通过微观层面力学设计，突破了传统水凝胶的极限适用温度边界，为极端温度环境适应性高分子软材料设计提供了新范式。

兰州化物所润滑油黏度指数改进剂分子模拟工程研究获新进展 2025-03-13 传统材料研发依赖试错法，效率低。材料基因组计划（MGI）提出通过高通量计算和大数据加速创新，但材料科学中数据稀缺与机器学习（ML）模型可解释性差成为关键瓶颈。在软凝聚态物质（如聚合物）领域，实验数据质量参差导致数据量不足。粘度指数改进剂（VII）作为润滑油核心添加剂，其性能依赖聚合物分子结构与温度响应的复杂关系，但现有研究仅聚焦少数商用聚合物（如聚异丁烯），缺乏系统性数据支撑。尽管分子动力学（MD）可模拟聚合物溶液物性，但缺乏针对VII的高通量数据生成方法。此外，现有ML模型多为“黑箱”，难以揭示定量构效关系（QSPR），阻碍聚合物设计的理论指导。因此，亟需开发整合高通量计算、自动化特征工程与可解释AI的框架，以突破数据稀缺限制，推动VII等复杂体系的理性设计。中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室材料表面界面团队长期致力于润滑油材料的分子模拟工程和人工智能设计研究。近期，研究人员融合高通量分子动力学模拟与可解释人工智能的自动化材料设计框架，破解了润滑油核心添加剂——黏度指数改进剂（VII）研发难题。该研究通过自主开发的智能计算管道，仅从5类商用聚合物出发，高效生成大规模VII数据集（1166组数据），并利用多目标机器学习模型从180万候选分子中筛选出366种高性能聚合物，其粘温性能超越现有商用产品。该工作有望为润滑油行业节省大量实验成本，验证数据稀缺领域“计算驱动-模型解析-材料设计”的研发新范式，在高分子材料、药物设计等领域具有广泛推广价值。图1.整合高通量分子动力学模拟与机器学习的高粘温性能聚合物开发流程图图2.基于符号回归（SR）构建VII粘度与PVI预测模型图3.高性能黏指剂虚拟筛选以上研究成果以“Exploring high-performance viscosity index improver polymers via highthroughput molecular dynamics and explainable AI”为题发表在npj computational materials上，兰州化物所周锐博士生为论文第一作者，兰州化物所鲍路瑶助理研究员、周峰研究员和兰州大学卜伟锋教授为共同通讯作者。以上工作得到中国科学院战略性先导科技专项支持。

兰州化物所高熵陶瓷界面固-液复合超润滑研究获新进展 2025-03-03 超润滑技术因其极低的摩擦系数（<0.01）而成为近年来摩擦学领域的研究热点。由固体添加剂/薄膜与液体润滑剂协同构建的固-液复合润滑体系，通过材料优势互补效应，为实现兼具超低磨损和长寿命的超润滑状态提供了新方法。虽然水基超润滑材料具有诸多优势，但其对金属摩擦副的腐蚀问题会影响超润滑状态的长期稳定性。为此，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国实验室研究团队近期提出了一种基于摩擦催化效应的“固-液复合超润滑”策略，基于天然有机酸植酸和高熵陶瓷涂层的协同作用实现了优异的减摩抗磨性能，有效地避免了水基润滑剂的腐蚀问题。通过磁控溅射技术在轴承钢表面沉积了(CrNbTiAlV)N高熵陶瓷薄膜（图1），表现出优异的力学性能并提供了丰富的反应位点。此外，在摩擦过程中高熵陶瓷表面还形成了一层钝化层，可有效防止水基润滑剂对钢基体的腐蚀。经测试，该固-液复合超润滑体系可在125万次往复摩擦循环中持续保持超润滑状态，摩擦系数低至0.0037，磨损率约为3.032×10−10mm3/(N·m)。摩擦过程中原位形成了平均粒径约为7.3nm的高熵陶瓷纳米晶体，这些纳米晶体促进了植酸分子的水解，生成了肌醇多磷酸（或肌醇）和磷酸分子。通过分子动力学模拟进一步证明，肌醇和磷酸在滑动过程中可有效降低摩擦阻力，从而在宏观尺度上实现固-液复合超润滑（图2）。该研究证实了摩擦催化效应在超润滑中的作用，为设计高性能固-液复合超润滑系统提供了新策略。图1.固-液复合润滑系统的超润滑性能及其润滑机制图2.分子动力学模拟该研究工作以“Macro-superlubricity Induced by Tribocatalysis of High-Entropy Ceramics”为题发表在Advanced Materials（2025,37,2413781）上，兰州化物所杜长合博士生、于童童副研究员和维也纳工业大学博士后隋旭东为论文第一作者，王道爱研究员为通讯作者。以上工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院重点研究计划、甘肃省重大科技专项等项目的支持。

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成果名称：低表面能涂层

合作方式：技术开发

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