院士雒建斌：“摩擦”研究為現(xiàn)實服務

近年來，我國在摩擦學領(lǐng)域取得了一系列重要突破。研制了新型納米級潤滑膜厚度測量儀，在國際上首次提出“薄膜潤滑狀態(tài)”概念，填補了彈流潤滑與邊界潤滑之間的理論空白，還在應用基礎(chǔ)領(lǐng)域大膽探索超滑和拋光問題，為工業(yè)發(fā)展解決了一系列技術(shù)難題。“摩擦中微粒作用機制及超滑機理”成果獲得2020年度陳嘉庚科學獎技術(shù)科學獎。這些貢獻離不開一位在摩擦學領(lǐng)域潛心科研的科學家，他就是中國科學院院士、清華大學學術(shù)委員會副主席雒建斌。

科研源自生活的發(fā)現(xiàn)

“大家吃藥的時候，有時是不是覺得很難咽下去？卡在嗓子眼兒挺難受對吧？將來要應用技術(shù)研究成果，給藥丸表面上做一層類似潤滑劑的材料，吃藥就會順利得多。”中國科學院院士、清華大學機械工程學院院長雒建斌用淺顯易懂的道理開始講起他對摩擦學的研究，“摩擦力有兩個方向，一個是增摩，一個是減摩。像我們?nèi)粘Ｖ械膭x車片，如飛機降落和火車降速時都要剎車，就需要增加摩擦，但又不能增加太大，否則就抱死了。再比如設(shè)計球鞋就需要增摩。相對應的另一面就是把摩擦的能耗降下來，比如你要滑冰，就需要減摩。根據(jù)人類的需求，這兩個方向在日常生活中都需要，也都很重要，其中減摩在工業(yè)界更為重要一些。只有得心應手的控制摩擦，才能給人類帶來更多益處，也會對國民經(jīng)濟發(fā)展帶來更多可能?！?/p>

當記者問到為何選擇研究摩擦學時，雒建斌笑著說：“恢復高考的第二年，我考上東北大學材料系，畢業(yè)后進入西安電纜廠工作，就是在那里結(jié)緣了摩擦學。工作中一個現(xiàn)象引起了我的注意：電纜廠制作電纜時有一道工藝叫拉拔銅絲，一到夏天，拉拔銅絲就會因高溫而氧化，氧化后銅絲就變成了廢品。我就和同事一起，開始研究如何控制銅絲氧化，如何降低銅絲溫度，經(jīng)過試驗，一旦改進潤滑效果，氧化問題就大幅度改善，還發(fā)表了自己的第一篇學術(shù)論文。自此，我對摩擦學產(chǎn)生了濃厚的興趣，也更加堅定了搞科研的決心?！?/p>

為更好地鉆研摩擦學，雒建斌開始意識到要進入專業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)深造。1985年，他到西安建筑科技大學冶金系攻讀碩士研究生，導師為金屬加工摩擦學專家嚴崇年教授，開始進入摩擦學研究領(lǐng)域進行系統(tǒng)學習和研究。在求知欲的驅(qū)使下，他于1991年又考取清華大學精密儀器與機械學系博士研究生，進入摩擦學國家重點實驗室，師從中國科學院院士、我國著名摩擦學專家、教授溫詩鑄。

懷揣著對摩擦學的熱愛，博士畢業(yè)后的雒建斌選擇留在清華大學，在這里，他和“摩擦研究”形影不離。

“我當時覺得自己性格比較適合于科研工作，也非常喜歡清華的學術(shù)氛圍。導師有次到國外考察，得知可以測量納米級潤滑膜測試技術(shù)，他就把這項技術(shù)的研發(fā)任務交給了我和青年教師黃平博士。”雒建斌說，“納米級潤滑膜測試技術(shù)是當時全新的國際前沿領(lǐng)域，沒有人知道應該從何入手，我們只能摸著石頭過河?！?/p>

經(jīng)過雒建斌和團隊的不懈攻關(guān)，他們成功研制出納米級薄膜厚度測量儀，并獲得1996年國家發(fā)明獎三等獎，這一測量儀為后續(xù)的薄膜潤滑理論研究奠定了基礎(chǔ);在國際上首次提出“薄膜潤滑狀態(tài)”概念，填補了彈流潤滑與邊界潤滑之間的理論空白，并于2001年獲得國家自然科學獎二等獎。

“摩擦學是一門研究物體表面摩擦行為的交叉學科。摩擦現(xiàn)象發(fā)生時，往往伴隨著磨損。摩擦、磨損會引發(fā)能源消耗，給設(shè)備、器件、材料帶來損失。我國是制造大國，機械裝備使用壽命較短，低端高耗能裝備較多，每年因摩擦、磨損造成的浪費巨大。有人做過計算，摩擦和磨損合起來的損失大概約占GDP的5%～7%，假如按照5%計算的話，2020年GDP大概100萬億以上，那通過摩擦和磨損的消耗就高達5萬億左右?！宾媒ū笕绱私忉屪约簽橹V迷的科研工作意義所在，“實際上，摩擦學不僅在航空航天領(lǐng)域，在芯片制造、高端裝備、生物、高鐵、軍事領(lǐng)域也有很多應用。研究發(fā)現(xiàn)，全世界每年約30%的一次能源因為摩擦被消耗，約80%的機器零部件因為磨損而失效，約50%的機械裝備惡性事故起源于潤滑失效和過度磨損。”

在將近四十年的科研生涯中，雒建斌始終在尋找答案：如何降低摩擦系數(shù)？如何減少摩擦能耗節(jié)約能源？如何讓人類社會的綠色發(fā)展成為可能？在薄膜潤滑理論研究取得突破后，雒建斌向“超滑”下手，開始挑戰(zhàn)這個困擾國際摩擦學界的科學難題。

走進超滑研究的世界

自然界中，兩個物體之間運動，必然產(chǎn)生摩擦。當摩擦系數(shù)幾乎為零時，就是超滑現(xiàn)象。

“在實際工業(yè)生產(chǎn)、人們生活中，超滑研究有著很多實際應用。國外專家調(diào)研，若將轎車的發(fā)動機摩擦系數(shù)降低18%，每年大約能夠節(jié)約5400億元燃油費，減少2.9億噸二氧化碳排放。只要在超精密設(shè)備的接觸副里面，都有薄膜潤滑狀態(tài)存在，一個穩(wěn)定的薄膜潤滑狀態(tài)，對精密軸承、超精密軸承以及超精密運動副都是非常重要的，包括超精密的齒輪箱也都有這種狀態(tài)存在。認識了它的狀態(tài)、特性，就可以設(shè)計潤滑分子模式，在這種狀態(tài)下如何能夠?qū)崿F(xiàn)好的潤滑狀態(tài)、好的潤滑情況，意義重大。比如運動副、摩擦副材料的選擇，要考慮到材料和周圍分子的相互作用。分子設(shè)計的時候，要同時考慮分子以及固體對它的作用影響，兩個都考慮才對運動副設(shè)計有幫助。”雒建斌說。

超滑如何實現(xiàn)？借助何種物質(zhì)實現(xiàn)？對潤滑材料的分子特征有哪些要求？早在1996年雒建斌和團隊開始進行超滑研究，但一直沒有重要進展。

2008年，他們組的學生有一次無意把酸奶帶進實驗室加到實驗機上，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)一下降到了千分之二點八。雒建斌迅速把學生們分成幾個研究組，分別研究酸奶里的乳酸菌、乳酸、蛋白質(zhì)、微量元素對超滑的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)，酸奶做摩擦實驗時，若實驗機反向旋轉(zhuǎn)，超滑現(xiàn)象就消失了，由此證明酸奶實現(xiàn)的是“假超滑”。

“事實上，我們每項研究跨度都很大，研究周期也比較長，期間遇到無數(shù)次大大小小的失敗。做科研沒有毅力是不行的?！宾媒ū箴堄信d致地向記者講起日常的一些小故事。比如在研究乳酸菌對超滑的影響時，學生們要整天在顯微鏡下觀察，反復的實驗導致他們有的人現(xiàn)在看到酸奶就沒胃口。后來他們用磺酸和丙三醇混合時就實現(xiàn)了超滑，非常穩(wěn)定，大概磨合了十分鐘左右，摩擦系數(shù)就降到了超滑狀態(tài)。緊接著他們又在意想不到的腐蝕劑磷酸中，發(fā)現(xiàn)超滑現(xiàn)象。再比如，雒建斌一次在杭州吃莼菜湯時，發(fā)現(xiàn)用筷子根本夾不起來，只能用勺子，而且入口特別順滑，有個想法突然就涌在腦?！徊酥械哪承┏煞质遣皇蔷哂谐?？回到學校后，他便迫不及待與學生們一起開展莼菜的超滑性能研究。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，它的摩擦系數(shù)達到千分之五，是一種層狀的超滑材料。

隨著不同液體超滑現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，新的液體超滑機理被提出，超滑的大門在清華大學打開了。在實驗過程中，面對同學們出現(xiàn)激烈爭論以及氣餒的現(xiàn)象時，一向溫和的雒建斌從沒發(fā)過脾氣，他會在尊重科學規(guī)律和經(jīng)驗判斷的前提下，讓同學們“不要放棄”“再堅持一下”。歸納起來，世界上公認的超滑大概有三種機理：雙電層作用、流體動壓效應和水合作用。其中前兩種超滑機理就是雒建斌研究組提出來的。最終，他和團隊發(fā)現(xiàn)了多種配比的酸、醇、堿溶液、糖類、油基液體和多種固體材料都能實現(xiàn)超滑。目前，雒建斌在超滑研究方面已經(jīng)走到了世界前列，發(fā)現(xiàn)了新的超滑體系和超滑機理，為超滑走向工業(yè)應用邁進了一大步。

做研究是為現(xiàn)實服務

“當超滑實現(xiàn)后，承壓的范圍只能到300兆帕。然而，要真正在工業(yè)上產(chǎn)生大量的應用，就要把它的承載能力提高，提高到1吉帕以上。國際上液體超滑現(xiàn)有三個大的研究組：一個是以色列小組，一個是日本小組，還有一個就是我們小組。從溶液看，中國組的體系已經(jīng)非常龐大;從承載能力看，以色列小組大概做到70兆帕，日本做到100兆帕，我們提出的固液耦合超滑體系后，將液體超滑的承載能力提高到了1.2吉帕以上，實現(xiàn)了數(shù)量級的提高。在液體超滑論文方面，早在2015年，我國跟世界其他國家的總和差不多，現(xiàn)在我們已超過其他國家總和。而國內(nèi)的成果多數(shù)來自我們研究組?！碧峒把芯砍晒媒ū髮F隊感到自豪，“同一個事情全世界很多人在做，只有方向?qū)?、手段好、成員能力強，組合在一起才能做到最好?！?/p>

他也強調(diào)，超滑要想推向應用，必須解決這個矛盾：對于液體而言，為了減少摩擦，需要弱的分子間作用;而為了承受載荷，需要強的分子間作用。如何解決這個矛盾，才是液體超滑應用研究的關(guān)鍵。

三十多年來，雒建斌還在應用基礎(chǔ)領(lǐng)域大膽探索超滑和拋光問題，為工業(yè)發(fā)展解決了一系列技術(shù)難題。那么，將來近零摩擦和近零磨損就會有更廣遠的前景，超滑應用的這扇大門已經(jīng)打開了并逐步向工業(yè)界推廣。

“目前，很多成果做完以后，發(fā)一個高水平論文或者拿一個國家獎項就算結(jié)束了，這是對成果的最大浪費。一項成果出來后，一定要走出實驗室，除了理論研究外，其被工業(yè)界所采用才是科研工作者最大的價值體現(xiàn)。”雒建斌說。

近幾年，除了泡在實驗室里，雒建斌的身影還越來越頻繁地出現(xiàn)在工廠 、車間和生產(chǎn)一線。因為1998年左右，雒建斌和團隊到廣東一家計算機硬盤磁頭公司參觀工藝，本來是要介紹薄膜潤滑技術(shù)，但他卻被對方高管提出的磁頭拋光精度難題給吸引住了。這是計算機硬盤制造業(yè)面臨的難題，于是，如何把握好這個度、降低磁頭磁盤表面粗糙度、改進保護膜性能，成了雒建斌實驗室新的研究方向。

正是因為不拘泥于條條框框，也為了幫工廠車間研發(fā)實用的工藝，雒建斌做起了摩擦中的“拋光生意”。

在薄膜潤滑研究過程中，雒建斌和實驗室人員發(fā)現(xiàn)，在潤滑液中加入納米金剛石顆粒后，產(chǎn)生了良好的微拋光效果。團隊認為，這有可能適合于硬盤磁頭表面加工。對于這個發(fā)現(xiàn)，也遭到不少同行質(zhì)疑，“難度太大”“這不是傳統(tǒng)摩擦學的路徑”“不務正業(yè)”……雒建斌沒有放在心上，他始終認為，研究就是要服務于實際生產(chǎn)，能解決問題就是有價值的事情。

頂著外界壓力，雒建斌率領(lǐng)團隊攻堅克難，將清華大學的實驗室研究和企業(yè)現(xiàn)場的實驗相結(jié)合，成功把納米金剛石顆粒引入了磁頭表面拋光液中，不僅將磁頭表面粗糙度降低了50%，實現(xiàn)了硬盤存儲密度的大幅提升，同時也證明了摩擦學與納米制造結(jié)合是正確的，目前已成為摩擦學國家重點實驗室一個全新的發(fā)展方向。

當前，世界上超滑領(lǐng)域的頂尖論文有五六成都出自雒建斌的團隊，可他卻說這些還遠遠不夠：“做好科研是我為國家作貢獻的最好方式，也讓我感到無上光榮。要讓中國人在摩擦學領(lǐng)域中做到最好，我們還需要更加努力?！?/p>