第一作者和单位

王胡军，西南交通大学机械工程学院

通讯作者和单位

郑靖，西南交通大学机械工程学院
张志辉，吉林大学工程仿生教育部重点实验室
周仲荣，西南交通大学机械工程学院

文章链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202521914

研究亮点

1、在粗糙度R_a≈57 nm的钢表面实现了宏观液体超滑。

2、阐明了磨屑促进高粗糙度工程钢实现低磨损超滑的作用机制。

3、通过表面织构操控磨屑转化成的摩擦膜与羟基化碳纳米管的协同作用实现了低磨损超滑，在一定程度上解决了表面织构容易劣化液体超滑性能的难题。

研究背景

宏观液体超滑对节能减排具有深远意义。其中，水基超滑在环保方面具有显著优势，符合地球可持续发展的需求。然而，现有的大多数超滑系统仅适用于超光滑和高硬度材料（蓝宝石、Si₃N₄、玻璃等）。在大气条件下，在粗糙工程钢表面实现低磨损水基超润滑仍然很困难，这主要归因于粗糙峰高接触应力导致润滑吸附层的剪切破坏。有趣的是，钢摩擦副的磨屑含有由摩擦化学反应产生的抗磨金属氧化物（如Fe₂O₃和Cr₂O₃）。如果可以操纵磨屑中的这些抗磨成分来修复磨损表面并降低表面粗糙度，有望促进低磨损超滑的实现。值得注意的是，与外源性纳米添加剂相比，内源性磨屑由于其与基材的成分相似，可能对磨损表面表现出更优的修复能力。然而，由于磨屑积聚很容易导致摩擦系数不稳定和磨损加剧，如何在不增大摩擦系数的条件下操纵磨屑转化成摩擦膜以抵抗磨损仍然具有挑战性。

研究思路

为了利用钢摩擦副磨屑中的抗磨成分，本研究设计一种集成表面织构与自清洁涂层的耦合表面。首先利用表面织构捕获并暂时储存过量磨屑，然后通过织构中沉积的自清洁涂层将部分磨屑转移到滑动接触界面，在机械-化学作用下修复磨损表面并降低粗糙度，形成保护性氧化膜以抵抗进一步的磨损。在水基润滑条件下，氧化膜中金属氢氧化物的含量因摩擦化学反应而增加，促进氢键网络的增强和润滑剂中碳纳米管的吸附，从而减小摩擦磨损。

主要结论

本文报道了一种利用磨屑转化的摩擦膜和羟基化碳纳米管的协同效应促进粗糙钢表面实现低磨损超滑的策略。通过表面设计将部分磨屑转化为保护性氧化膜并降低表面粗糙度。在此基础上，摩擦化学反应导致金属氢氧化物增加，从而增强了氢键网络、促进了碳纳米管的吸附，减小了摩擦和磨损。这项工作变“废”（磨屑）为“宝”（摩擦膜），为如何在粗糙工程钢表面实现低磨损超滑提供了新的见解。