[发明专利]一种在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法

说明书

本发明提供了一种在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，先通过常规的激光织构方法在基材表面构筑微米尺度的凹凸体；再将离子型二维纳米材料复配物经高速搅拌、超声分散于无水乙醇中，得二维润滑剂复配分散液；并其喷涂到上述经预处理的基材表面，空气中表干，即获得二维复合超润滑表面。本发明对工程基材表面设计制备微米尺度凹凸体，实现将宏观接触面分解为微纳接触点的作用；然后通过二维材料摩擦自定序、共价/离子以及离子/离子异质复配等特殊设计来控制每个接触点位置界面间定序状态、化学相互作用、非公度性，从而满足“超润滑”理论原理的三个基本条件，在工程粗糙的钢‑钢宏观接触摩擦副上，实现了长效稳定的超润滑性能。

技术领域

本发明涉及一种复合超润滑表面的制备方法，尤其涉及一种在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，属于润滑领域和摩擦领域。

背景技术

摩擦磨损是运动机械普遍存在的现象，据统计摩擦消耗全球1/3的一次能源，磨损导致机械部件的4/5失效，摩擦磨损损失占工业化国家GDP的5%~7%。同时在高技术领域，摩擦磨损问题是造成设备故障，制约其可靠性的主要原因。NASA研究报告表明：相当比例的空间机械部件的失效都与摩擦磨损问题有关。润滑是解决摩擦能耗和材料磨损问题最主要的技术途径。

“超润滑”是近些年来提出的一种能够极大突破现有材料润滑性能极限的新概念技术，理论上为零，工程实践上摩擦系数可低至0.01以下即10^-3量级，较常规固体润滑材料0.1左右的摩擦系数低1-2个数量级。因此，超润滑技术的发展不仅对于节能降耗、促进国民经济发展具有深远的意义，而且还将对高技术装备设计和运行可靠性产生革命性的进步。

1991年日本学者Hirano 和 Shinjo提出了“超润滑”的基本概念和原理：当两个表面相互公度时（即其晶格常数之比为有理数且取向一致），原子需要同时克服滑移势垒才能够滑动，这时系统滑移需要克服的阻力是每一个原子滑移阻力的叠加，系统滑移阻力巨大；无限大的非公度晶格表面系统静摩擦力趋向于零，且滑动时没有能量耗散，这意味着动摩擦力也为零。然而，根据此理论原理，目前在实验上仅能够在微米尺度理想的单晶接触状态下获得超润滑的状态。而在宏观摩擦过程中，施加载荷大（数N量级），接触滑动发生在凸凹不平、大面积的宏观面上，摩擦性能影响因素众多，不仅会受到微观结构（包括微观的晶格缺陷、晶格变形、气体吸附、官能团等）的影响，还会受到宏观的多晶取向、棱边键、粗糙度以及宏观力破坏作用等诸多结构因素的影响，很难在大面积接触的宏观工程基材上形成理想的非公度、无形变、无污染的超润滑状态。石墨烯等二维材料在宏观摩擦过程中表现出一些特殊的现象和效应有益于超润滑的实现。美国Argonne国家实验室研究人员于2015年在Science期刊上报道了石墨烯和纳米金刚石颗粒复合与类金刚石碳膜配副可以在宏观接触条件下获得超润滑性能（摩擦系数低至0.004）。其中石墨烯卷绕在金刚石颗粒上，将面接触转变为点接触，既有利于保持非公度接触，又减少了结构形变和界面化学作用。不足之处是形成石墨烯卷绕金刚石复合结构依赖于一定的试验条件，材料体系繁杂，获得的超润滑态寿命较短，很难实现工程化制备。因此利用二维材料结构特性探索一条在工程基材实现宏观超滑的方法将是一个突破口，有望发展出可工程化的超润滑新概念技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法。

一、二维复合超润滑表面的制备

本发明在工程基材上获得二维复合超润滑表面的方法，包括以下步骤：

（1）基材表面的预处理：通过砂纸打磨、喷砂或常规的激光织构方法，在基材表面构筑微米尺度的凹凸体。其中基材可选自钢、钛合金、铝等金属，也可选自氧化铝、氧化硅、氮化硅等陶瓷。预处理后基材表面粗糙度控制范围为0.1~5微米；基材表面凸点接触面积占比为1/50以下。