人類擺脫摩擦困擾的新技術(shù)——超滑技術(shù)*

李津津 雒建斌

人類擺脫摩擦困擾的新技術(shù)
——超滑技術(shù)*

李津津①雒建斌②

①博士，②中國科學(xué)院院士，清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室，北京 100084
*國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體基金(51321092)和國家自然科學(xué)基金重點項目(51335005)資助

摩擦；超滑；固體超滑劑；液體超滑劑

隨著工業(yè)迅速發(fā)展，能源消耗的大幅增長與資源匱乏之間的矛盾日趨嚴重，因此，提高能源利用效率就顯得非常重要。摩擦是消耗能源的重要途徑之一，而超滑技術(shù)的出現(xiàn)能夠大大提高運動系統(tǒng)的能源利用效率。超滑作為摩擦學(xué)的一個新領(lǐng)域，通常指兩個物體表面之間的滑動摩擦系數(shù)在0.001量級或者更小的潤滑狀態(tài)。自從20世紀90年代初提出超滑概念，它就吸引了摩擦學(xué)界、機械學(xué)界、物理學(xué)界和化學(xué)界研究者的廣泛關(guān)注。他們一方面從理論上研究超滑的產(chǎn)生機理，另一方面從實驗上探索超滑材料的特性。在過去的20年里，關(guān)于超滑的研究已經(jīng)取得了很大的進展。本文將介紹國內(nèi)外超滑技術(shù)的最新研究進展，并對未來超滑技術(shù)的應(yīng)用進行展望。

在機械系統(tǒng)中，包括動力單元(電機、發(fā)動機等)、連接機構(gòu)(螺旋副連接、搭接、銷接等)、傳動機構(gòu)(軸承、齒輪、液壓閥門等)和執(zhí)行機構(gòu)(抓取、切削、模壓等)，廣泛存在著零部件之間的摩擦和磨損。這些摩擦和磨損會造成大量的能量損耗和機械零部件的失效，從而影響機械設(shè)備的使用效率和壽命。更為嚴重的是，當(dāng)出現(xiàn)潤滑失效和過度磨損時，還會造成惡性的機械事故。據(jù)統(tǒng)計，摩擦消耗掉全世界1/3的一次性能源，約有80%的機械零部件都是因為磨損而失效，而且50%以上的機械裝備的惡性事故都是起因于潤滑失效。在大多數(shù)發(fā)達的工業(yè)國家，比如美、日、英、德等，每年與摩擦和磨損相關(guān)的能量耗散和材料損失費占到整個國民生產(chǎn)總值的2%～7%[1]，而在中國，每年因摩擦磨損造成的損失占中國國民生產(chǎn)總值的4.5%。按中國2013年國民生產(chǎn)總值58萬億元計算，中國2011年摩擦磨損造成的損失約為2.6萬億元。因此，在當(dāng)前中國的能源缺口越來越大，裝備制造業(yè)在國民經(jīng)濟中的作用越來越強的情況下，改善機械零件之間的摩擦狀態(tài)并有效降低摩擦系數(shù)就顯得尤為重要，這對中國走新型工業(yè)化道路、建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟、實現(xiàn)節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要的現(xiàn)實意義。

超滑技術(shù)就是目前解決上述摩擦磨損問題的一個重要手段。超滑是指兩個表面之間的摩擦力接近零的潤滑狀態(tài)，它最早由兩位日本學(xué)者Hirano和Shinjo在20世紀90年代初提出[2]。因此，從理論上來說，超滑可以實現(xiàn)近零摩擦和近零磨損。但是實際上，由于摩擦系統(tǒng)各種因素的干擾和測量極限的限制，通常將摩擦系數(shù)到達0.001量級或更低時的潤滑狀態(tài)稱之為超滑，如圖1所示[3]。這里做一個比較，冰的表面的摩擦系數(shù)通常在0.02左右，潤滑油的摩擦系數(shù)通常在0.05左右，由此可知，超滑對應(yīng)的摩擦系數(shù)比常規(guī)潤滑劑的摩擦系數(shù)要小一個數(shù)量級以上。由于超滑對應(yīng)的摩擦系數(shù)非常小，所以超滑能夠顯著地提高潤滑效率，節(jié)約能源和資源。隨著現(xiàn)代機械科學(xué)的發(fā)展，許多高新技術(shù)裝置如微電子設(shè)備、微型機器人、生物醫(yī)療微型器械等的摩擦副間隙常處于納米量級，從而使表面力、潤滑分子間的作用力對摩擦力的影響相對于傳統(tǒng)機械中的體積力而言顯得非常突出，于是傳統(tǒng)的潤滑理論已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代納米機械發(fā)展的需求，而超滑則成為了精密儀器最理想的運行狀態(tài)[4]。

1 超滑的研究進展

在20世紀90年代初，日本學(xué)者Hirano和Shinjo通過理論計算發(fā)現(xiàn)兩個晶面在某些特定的表面和方向上(非公度)發(fā)生相對運動時，摩擦力會完全消失，這就是所謂的“超滑狀態(tài)”[5]。但是當(dāng)兩個滑動表面的晶體尺度和取向完全相同時，即微觀結(jié)構(gòu)處在公度狀態(tài)，超滑狀態(tài)就會消失，如圖2所示。這是最早從理論上研究超滑存在的可能性。隨后，來自不同領(lǐng)域的研究學(xué)者對超滑進行了深入的研究，并取得了一系列的成果。近10年來，隨著原子力顯微鏡(AFM)和表面力儀(SFA)等儀器的發(fā)展和應(yīng)用，它們對超滑的微觀機理研究起到了很大的推動作用，而分子動力學(xué)(MD)模擬技術(shù)的發(fā)展為研究超滑過程中能量耗散的微觀機制提供了有效的理論分析工具[6-9]。

到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩類潤滑材料具有超滑的特性。第一類是沉積在表面上的固體潤滑涂層，比如二硫化鉬(MoS2)、石墨、類金剛石薄膜(DLC)和碳氮膜(CNx)等，這里稱之為固體超滑。另一類是受限在兩個表面之間的液體潤滑劑，比如陶瓷水潤滑、水合離子潤滑、聚合物分子刷、甘油混合溶液和生物體黏液等，這里稱之為液體超滑。除此之外，還有一類超滑是借助于外力的作用將兩表面分開來實現(xiàn)超滑，比如靜電斥力、范德華斥力、疏水斥力等等。這類超滑是利用外力來承擔(dān)載荷從而實現(xiàn)很低的摩擦系數(shù)，它與磁懸浮類似，而與傳統(tǒng)潤滑有著本質(zhì)的區(qū)別。接下來將對固體超滑和液體超滑分別進行介紹。

1.1 固體超滑

最早發(fā)現(xiàn)具有超滑特性的固體潤滑劑是二硫化鉬，它具有六邊形的層狀結(jié)構(gòu)，并且層與層之間的剪切強度很小。法國學(xué)者Martin等[11]用二硫化鉬膜在高真空的條件下能夠獲得小于0.002的超低摩擦系數(shù)，如圖3所示。通過高倍透射電鏡，可以看到二硫化鉬磨粒在摩擦副表面形成了整齊的花紋結(jié)構(gòu)，這表明二硫化鉬磨粒中存在重疊的二硫化鉬晶體，并且這些晶體之間具有一個旋轉(zhuǎn)角度。因此，在晶體相互運動的過程中，沿著硫含量高的基面，摩擦力成各向異性，這是二硫化鉬具有超滑特性的根本原因。但是二硫化鉬只能在高真空中或者在惰性氣體(比如純凈的氮氣和氬氣)的保護下才能實現(xiàn)超低摩擦系數(shù)。在自然條件下，空氣中的氧原子和水蒸氣的存在阻礙了二硫化鉬實現(xiàn)超滑。2000年，英國劍橋大學(xué)Chhowalla等[12]成功制備出由類富勒烯空心二硫化鉬納米顆粒組成的薄膜，在濕度為45%的自然條件下，其摩擦系數(shù)能夠達到0.003。他們認為彎曲的S-Mo-S基面阻礙了表面的氧化并保護層狀結(jié)構(gòu)不被破壞，從而使二硫化鉬在自然條件下實現(xiàn)超滑。

與二硫化鉬類似的另一種固體潤滑劑是石墨。它也具有層狀結(jié)構(gòu)，與二硫化鉬的結(jié)構(gòu)很相近，并且層與層之間的相互作用力(范德華力)很微弱。在自然條件下，石墨和其他材料之間的摩擦系數(shù)在0.08～0.18之間，但是Mate等[13]發(fā)現(xiàn)石墨與石墨之間在特定的運動條件下可以實現(xiàn)超滑。他們在摩擦力顯微鏡上使鎢針在高定向裂解石墨的表面上滑動(載荷100 nN)，獲得了0.005的超低摩擦系數(shù)。實驗研究表明，石墨實現(xiàn)超滑時兩個石墨片位于非公度接觸的狀態(tài)，如圖4所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角在0°和61°附近時，摩擦力突然增高至少一個量級，出現(xiàn)一個尖銳的峰值，而在其他滑動方向上，摩擦力幾乎為零，即處在超滑狀態(tài)。實驗發(fā)現(xiàn)這兩個高摩擦系數(shù)峰值之間的角度差為61°，這與石墨晶格上的原子呈六邊形(60°)分布相一致。因此，他們將石墨超滑的機理歸因于兩個旋轉(zhuǎn)的石墨片之間的非公度接觸[14]。最近，清華大學(xué)鄭泉水課題組成功實現(xiàn)了兩個大面積石墨片(10 μm×10 μm)之間的超滑[15]。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個高定向熱解石墨片之間處在非公度接觸時，石墨片會發(fā)生自縮回的現(xiàn)象，這表明石墨片之間的摩擦系數(shù)很低。

圖3 二硫化鉬的摩擦系數(shù)曲線及二硫化鉬磨粒的高倍透射電鏡圖[11]

除二硫化鉬和石墨之外，還有一種常見的固體潤滑劑也具有超滑的特性，即類金剛石薄膜(DLC)。由于DLC膜具有很好的耐磨特性、化學(xué)惰性及光學(xué)特性，早期的研究都集中在如何將DLC膜用作磁盤的保護膜。近20年來，隨著化學(xué)沉積技術(shù)的飛速發(fā)展，美國阿貢國家實驗室Erdemir等[16-17]對DLC膜的超滑特性進行了大量的實驗研究，發(fā)現(xiàn)用高含氫量的DLC膜可以實現(xiàn)0.001的超低摩擦系數(shù)。研究顯示DLC膜能否實現(xiàn)超滑與膜中的氫含量密切相關(guān)。如圖5所示，化學(xué)氣相沉積過程中，氣體氛圍中的氫含量越高，生成的DLC膜的摩擦系數(shù)就越低。如果DLC膜里不含氫，即使在高真空下或者在惰性氣體保護下，摩擦系數(shù)依然很高[18]。近年來，一些學(xué)者在氫氣氛圍下測量DLC膜的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)只要接觸區(qū)附近有足夠的氫氣，無論DLC膜里的氫含量有多低，總能實現(xiàn)很低的摩擦系數(shù)[19]。這些實驗結(jié)果表明氫原子在DLC膜實現(xiàn)超滑的過程中起到關(guān)鍵作用。他們認為氫原子與碳原子相結(jié)合并形成帶正電荷的滑移面，這些滑移面之間具有很弱的范德華力及很強的靜電斥力，從而導(dǎo)致很低的摩擦系數(shù)[20]。

1.2 液體超滑

與固體潤滑劑相對的是液體潤滑劑。液體潤滑劑主要包括油基潤滑劑和水基潤滑劑兩種。對于油基潤滑劑而言，其具有黏度大、黏壓系數(shù)高等特點，因此很容易在摩擦副表面之間形成流體潤滑。傳統(tǒng)的油基潤滑劑對應(yīng)的最低摩擦系數(shù)通常在0.01～0.05之間，主要是由于其黏度的限制。對于水基潤滑劑而言，其具有黏度低、黏壓系數(shù)小的特點，因此摩擦副表面之間往往以邊界潤滑或者混合潤滑的方式起到潤滑作用。由于水基溶液的黏度隨著壓力的增大幾乎沒有太大變化，所以在很高的接觸壓力下，水溶液仍然具有很好的流動性，這就給實現(xiàn)超低摩擦創(chuàng)造了條件[20]。1987年，日本學(xué)者Tomizawa和Fischer[21]發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷(Si3N4)在用水作潤滑劑的條件下，經(jīng)過一段磨合期，其最后的摩擦系數(shù)小于0.002，這是首次發(fā)現(xiàn)用水作潤滑劑可以實現(xiàn)超滑，如圖6所示[22]。隨后很多學(xué)者開始研究陶瓷水潤滑的體系，并發(fā)現(xiàn)其他類型的陶瓷，比如碳化硅陶瓷(SiC)、氧化鋁陶瓷(Al2O3)，在經(jīng)過磨合期之后也可以實現(xiàn)小于0.01的超低摩擦系數(shù)。相關(guān)實驗表明，陶瓷表面在磨合過程中會與水分子發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)：

這樣在摩擦副表面就形成了一層帶負電的硅溶膠。在電荷的作用下，硅溶膠表面會形成Stern層和雙電層[23-24]。當(dāng)硅溶膠之間相互接觸時，其剪切強度很低，從而導(dǎo)致邊界潤滑的摩擦系數(shù)很小。并且由于液體動壓效應(yīng)的存在，在硅溶膠之間還會形成一層水膜。由于水的黏度很低，所以形成的流體動壓潤滑的摩擦系數(shù)也很小。因此，他們認為陶瓷摩擦副形成超滑時位于混合潤滑區(qū)域(邊界潤滑和流體潤滑)，這樣就可以實現(xiàn)很低的摩擦系數(shù)[25-26]。

第二類具有超滑特性的水基潤滑劑是聚合物分子刷，即將高分子聚合物的極性端頭嫁接到表面上，長鏈的另一端漂浮在水中, 形成一層“分子刷”，如圖7所示[27]。由于長鏈能夠很好地伸展在溶劑中而不脫離表面，所以分子刷之間能產(chǎn)生很強的滲透壓力, 并且在雙電層排斥力和色散力的作用下, 聚合物之間的作用力場處于排斥力場范圍。在分子刷巨大的斥力作用下，即使在較高的壓力下(1 MPa)，兩個表面仍然被分子刷分開，從而實現(xiàn)了0.001量級的摩擦系數(shù)[28]。從20世紀90年代起，以色列學(xué)者Klein等[29]用表面力儀對聚合物分子刷的超滑特性進行了大量的研究。他們發(fā)現(xiàn)，用水作為潤滑劑，帶電的聚合物(比如聚電解質(zhì))相比其他聚合物具有更好的潤滑特性，可以在壓強為0.3 MPa的條件下實現(xiàn)小于0.0006的超低摩擦系數(shù)。他們認為帶電聚合物形成的分子刷層里存在大量帶相反電荷的運動離子，這些離子產(chǎn)生的抑制分子刷之間相互貫穿的電勢就會比中性分子刷強很多，所以帶電分子刷之間的相互貫穿就能得到抑制，這就大大減少了能量耗散，從而降低了系統(tǒng)的摩擦阻力[30-31]。但是，對聚合物分子刷而言，它只能在表面力儀上(低速低載荷)獲得超滑，在宏觀條件下(高速高載荷)很難實現(xiàn)超滑，因此它在機械系統(tǒng)上的應(yīng)用受到很大的限制。

圖7 受限在兩云母之間的帶電聚合物的潤滑示意圖[27]

然而，如何在宏觀條件下(高速高載荷)實現(xiàn)液體超滑是一個難題，因為它既需要液體分子能夠在高壓下不被擠出接觸區(qū)，又要求液體分子具有很小的剪切強度。最近，我們課題組在宏觀液體超滑領(lǐng)域取得了一系列的進展。如圖8所示，在載荷為3 N(最大接觸壓力700 MPa)，線速度為0.057 m/s的條件下，用pH=1.5的磷酸溶液作為潤滑劑，在氮化硅和玻璃之間獲得了0.004的超低摩擦系數(shù)[32]。可以發(fā)現(xiàn)磷酸超滑的實現(xiàn)需要一個磨合過程，即從0 s到220 s摩擦系數(shù)快速下降的過程(第一階段)和從220 s到580 s摩擦系數(shù)緩慢下降的過程(第二階段)。磨合期結(jié)束后，摩擦系數(shù)一直穩(wěn)定在0.004[33]。并且如果我們將氮化硅和玻璃摩擦副換成藍寶石和藍寶石，這樣接觸壓力可以增加到1 GPa，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磷酸溶液仍然可以實現(xiàn)超滑[34-35]。

相關(guān)實驗表明磷酸超滑與溶液中的氫離子和磷酸與水分子之間形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[36]。根據(jù)分析，我們建立了磷酸的超滑模型，如圖9所示。當(dāng)超滑出現(xiàn)時，接觸區(qū)是一種三層結(jié)構(gòu)，即stern層、具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的吸附膜和一層自由水分子層。Stern層的主要作用是連接氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和摩擦副表面；氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要作用是承擔(dān)載荷并保持水分子受限在接觸區(qū)；自由水分子層的主要作用是提供很低的剪切強度。這三層結(jié)構(gòu)各有各的作用，要想實現(xiàn)超滑，三者缺一不可。如果沒有stern層，即沒有第一階段的磨合，那么摩擦系數(shù)最小只能到0.02；如果沒有氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(比如其他酸溶液)，那么摩擦系數(shù)最小只能到0.03；如果氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到破壞，自由水分子層也會受到破壞，那么摩擦系數(shù)會升高到0.02以上。由此可知，這三層結(jié)構(gòu)對磷酸超滑的實現(xiàn)起到了至關(guān)重要的作用。

根據(jù)上述磷酸超滑模型，可以推斷超滑的實現(xiàn)至少需要滿足兩個條件：①氫離子，它能夠吸附在摩擦副表面使表面帶電并形成stern層；②氫鍵作用，它能夠形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并將水分子固定在接觸區(qū)里。因此如果能夠?qū)ふ页鲆环N新的水溶液，能同時滿足上述兩個條件，就有可能發(fā)現(xiàn)新的液體超滑材料。為了滿足第一個條件，酸溶液是最好的選擇，因為酸溶液中含有氫離子。然而目前很難找到一種像磷酸一樣的酸能同時滿足第二個條件(分子上含有多個羥基可以形成氫鍵網(wǎng)絡(luò))。為了滿足第二個條件，多羥基的水溶液，如乙二醇和丙三醇，是最好的候選者，因為其分子上含有多個羥基，存在較強的氫鍵作用，但是這些多羥基水溶液中都不含有氫離子。為此，我們提出了一種新的方法來同時滿足上述兩個要求，即將酸溶液與多羥基溶液按照一定的比例混合，這樣就可以同時滿足超滑的兩個條件[37]。表1給出了4種不同的多羥基醇與3種不同的酸混合之后對應(yīng)的摩擦系數(shù)。相比這些多羥基醇本身的摩擦系數(shù)(不與酸混合)而言，不難發(fā)現(xiàn)這些多羥基醇和酸的混合能夠使摩擦系數(shù)減小一個數(shù)量級，進而實現(xiàn)超滑[38]。這樣，我們就建立了一個基于多羥基醇和酸混合溶液的新型液體超滑體系。

表1 4種不同的多羥基醇與3種不同的酸混合之后對應(yīng)的摩擦系數(shù)

除上述液體超滑之外，還有一類生物材料也具有超滑的特性，比如生物體中的某些器官、人體關(guān)節(jié)、人眼等。這主要是由于在這些器官之間存在各種不同的聚合物水溶液，它們能夠起到很好的潤滑效果。比如在人體關(guān)節(jié)中存在一種多糖聚合物——透明質(zhì)酸，研究表明，其作為潤滑劑能夠在兩關(guān)節(jié)之間實現(xiàn)0.003的超低摩擦系數(shù)[39]。正是由于如此低的摩擦系數(shù)，我們走路才不會覺得關(guān)節(jié)酸痛。對某些患有關(guān)節(jié)病的人而言，由于關(guān)節(jié)潤滑不良，摩擦系數(shù)高，就會經(jīng)常造成關(guān)節(jié)酸疼。除此之外，某些植物體黏液也具有很好的潤滑效果，比如紅藻。Arad等[40]利用從紅藻中提取的多聚糖溶液獲得了超滑。他們選擇氮化硅陶瓷和鋁片作為摩擦副，當(dāng)載荷為0.7 N時，最小的摩擦系數(shù)可以達到了0.003。與此同時，我們課題組發(fā)現(xiàn)了另一種水生植物(莼菜)的黏液也具有超滑的特性，其與玻璃表面之間的摩擦系數(shù)最小可以減小到0.005[41]。當(dāng)我們用手抓取時，會因為黏液表面特別滑而很難抓住。研究結(jié)果表明莼菜黏液中有很多層狀的納米級的薄片，如圖10所示。當(dāng)莼菜樣品在玻璃表面上運動時，黏液的最外層會吸附在玻璃表面上，而在黏液中，有大量的水分子通過氫鍵作用吸附在薄片上，并在其表面形成水合層。由于很強的氫鍵作用，這些水合水分子很穩(wěn)定，而且在高壓下很難被擠出來。當(dāng)莼菜樣品在玻璃板上滑動時，剪切發(fā)生在這些薄片之間。由于水合層具有很好的流動性，因此這些薄片之間的剪切強度很小，從而產(chǎn)生很低的摩擦系數(shù)。

圖10 冷凍干燥后的莼菜黏液的掃描電子顯微鏡圖[41]

2 超滑的應(yīng)用展望

根據(jù)上面的介紹可知，固體潤滑劑主要是通過固體表面非公度接觸和固體內(nèi)部弱相互作用來實現(xiàn)超滑。大部分具有超滑特性的固體潤滑劑，在超滑狀態(tài)時都具有片狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的層與層之間的相互作用力非常弱且能實現(xiàn)非公度接觸，這就為超滑創(chuàng)造了條件。因為固體超滑與其表面結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，所以固體超滑也稱為結(jié)構(gòu)超滑。然而固體潤滑劑的超滑狀態(tài)受環(huán)境影響很大，到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)一種固體潤滑劑不受環(huán)境的影響，即能在所有的環(huán)境下實現(xiàn)超滑。有的固體潤滑劑，比如石墨，需要在潮濕的環(huán)境下或者其他高濃度氣體氛圍的保護下才能實現(xiàn)超滑；而有的固體潤滑劑，比如二硫化鉬或其他過渡金屬的二化物、類金剛石薄膜等，需要在真空下或者惰性氣體氛圍的保護下才能實現(xiàn)超滑。這種受環(huán)境影響的特性給固體超滑的應(yīng)用帶來很大的限制。相對固體潤滑劑而言，液體潤滑劑受環(huán)境的影響就要小得多。根據(jù)前面的介紹，不難看出能夠?qū)崿F(xiàn)液體超滑的潤滑劑都是水基潤滑劑，這主要是因為水溶液具有很低的黏壓系數(shù)，并且在高壓下仍然具有很好的流動性。

從20世紀90年代初提出超滑到現(xiàn)在已經(jīng)過去20年了，關(guān)于超滑的研究已經(jīng)取得了很大的進展，但由于固體超滑存在受環(huán)境影響這一問題，使得固體超滑仍然沒有得到有效的應(yīng)用。相對于固體超滑而言，液體超滑的研究還處在起步階段，尤其是對其超滑機理的認識還不是十分清楚，有很多問題需要解決。綜上所述，無論是固體超滑還是液體超滑，均處于實驗室研究階段，離實際應(yīng)用尚有一段距離。但是，隨著超滑技術(shù)的不斷進步，未來超滑離實際應(yīng)用的距離也會越來越近，從而使我們能逐漸擺脫摩擦的困擾。因為超滑技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)比常規(guī)潤滑劑小一個數(shù)量級的摩擦系數(shù)，所以未來超滑技術(shù)在傳統(tǒng)機械工程領(lǐng)域和微納米機械系統(tǒng)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值。比如將超滑技術(shù)應(yīng)用在汽車發(fā)動機里的氣缸、齒輪和軸承上，就能夠使汽車的用油效率提高好幾倍。此外在航天領(lǐng)域，如果將超滑技術(shù)應(yīng)用在空間活動部件上，就能夠大大提高航天器的穩(wěn)定性和使用壽命?？傊夹g(shù)作為一個提高運動系統(tǒng)能量利用率最有效的方法，必將在未來幾十年里得到大力發(fā)展。

(2014年6月24日收稿)

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New technology for human getting rid of friction: superlubricity

LI Jin-jin①, LUO Jian-bin②
①Ph. D., ②CAS Member, The State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China

With the fast development of industry, the contradiction between consumption and scarcity of energy resources become more acute, which led to the great attention to improving the eff i ciency of energy utilization. Friction is one of the important ways to consume energy, but the technology of superlubricity can increase the eff i ciency of energy utilization greatly in sliding system.Superlubricity is a new area in tribology, in which the slide friction coeff i cient is about 1/1000 of the general ones or less. Since the concept of superlubricity was proposed at the beginning of the 1990s, it has attracted more and more attentions from researchers in fields of tribology, physics, chemistry, materials,etc. Theoretically, most works were focused on investigating the mechanism of superlubricity. Experimentally, great efforts have been made for fi nding out the properties of superlubricity materials. Many signif i cant progresses have been made during the last two decades in studies on superlubricity. In the present work, the recent advancements in superlubricity and the application of superlubricity in the future are addressed.

friction, superlubricity, solid superlubricating lubricant, liquid superlubricating lubricant

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.04.003

（編輯：沈美芳）