近日，清華大學機械系摩擦學國家重點實驗室何永勇課題組從邊界潤滑膜和動壓潤滑膜的耦合作用行為角度，首次系統地解釋了液體潤滑界面摩擦和磨損性能的逆相關現象，澄清了邊界潤滑膜與動壓潤滑膜的內在耦合機理，提出了二者的耦合模型。這項研究對于摩擦理論研究，尤其是正確理解摩擦和磨損的本質關系以及界面潤滑系統的可控設計具有重要的學術和技術價值。

研究發現，相同實驗條件下，脂相潤滑狀態的石墨烯和六方氮化硼的摩擦系數顯著低于二硫化鉬和二硫化鎢（抗摩擦性能更優越），但石墨烯和六方氮化硼對應的磨痕深度卻顯著大于二硫化鉬和二硫化鎢（抗磨損性能更差）。這種非常有趣的摩擦和磨損的逆相關特性，引發了研究人員關于兩個基本問題的思考。一是從磨損的角度思考，為什么二硫化鉬和二硫化鎢對應的摩擦系數更大，但磨損卻更小？二是從摩擦的角度思考，磨損是摩擦的重要起源，石墨烯和六方氮化硼的磨損情況更嚴重，為什么其摩擦系數卻更小？

圖1 石墨烯、六方氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢四種二維材料的摩擦學性能。石墨烯和六方氮化硼的摩擦系數顯著低于二硫化鉬和二硫化鎢，但磨痕深度卻顯著大于二硫化鉬和二硫化鎢

液體潤滑界面的摩擦域主要有邊界潤滑膜和動壓潤滑膜組成，兩種膜的耦合作用主導了界面的抗摩擦和抗磨損性能。研究發現，二硫化鉬和二硫化鎢的邊界潤滑膜厚度大約為200-250納米；而石墨烯和六方氮化硼的邊界潤滑膜厚度大約為30-60納米。盡管二硫化鉬和二硫化鎢的摩擦系數較高，但超高魯棒性的邊界潤滑膜保證了其具有優越的抗磨損性能。在機械應力和摩擦熱的誘導下，二硫化鉬和二硫化鎢納米片層在潤滑界面發生摩擦化學反應。硫原子與摩擦界面鐵原子之間形成共價鍵，產生鐵的硫化物和鐵的硫酸鹽，極大增強二硫化鉬和二硫化鎢納米片層在界面的粘附特性，由此增強摩擦界面邊界潤滑膜的魯棒性。

圖2 AIS和XPS聯合定量測量邊界潤滑膜厚度

研究人員進一步通過實驗和計算流體動力學（CFD）仿真手段探究界面摩擦域的動壓潤滑膜行為。在液體潤滑狀態下，界面的摩擦力主要來源于兩方面，一是界面粗糙峰的接觸（磨損），二是來源于潤滑介質的內部剪切力（黏滯阻力）。研究發現石墨烯和六方氮化硼的動壓膜厚度顯著小于二硫化鉬和二硫化鎢。動壓潤滑膜流速隨著膜厚降低而增大，于是石墨烯和六方氮化硼顯著增強潤滑脂的剪切稀化現象，其對應的動壓潤滑膜具有更低的粘度，有粘滯阻力產生的摩擦力更小。

圖3 二維材料對動壓潤滑膜厚度、流速和粘度的影響

根據此研究，課題組在《細胞》（Cell）旗下物質學子刊《細胞報道物理科學》（CellReportsPhysicalScience）上發表題為“邊界潤滑膜與動壓潤滑膜的耦合效應”（Couplingeffectofboundarytribofilmandhydrodynamicfilm）的論文，論文第一作者為機械工程系2021級博士生金寶，通訊作者為清華大學機械系摩擦學國家重點實驗室何永勇研究員和北京化工大學趙軍副教授。論文工作得到國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目（973項目）和摩擦學國家重點實驗室摩擦學科學基金支持。