科研進(jìn)展
蘭州化物所自適應(yīng)超分子凝膠潤滑劑研究獲系列進(jìn)展
隨著我國航空航天、海洋工程、高端制造等領(lǐng)域的快速發(fā)展，相關(guān)裝備中的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件正面臨愈發(fā)苛刻的變化/極限服役工況，諸如高溫/寬溫域、高載荷/變載荷、超高速/寬速域等復(fù)雜場(chǎng)景。適配變化/極限服役工況的潤滑材料與技術(shù)，直接決定著高端裝備的安全可靠性、使役壽命及更新迭代進(jìn)程。因此，研發(fā)可響應(yīng)外界刺激、自主調(diào)控自身結(jié)構(gòu)以適配復(fù)雜工況的自適應(yīng)潤滑材料，保障高端裝備高效、長壽命穩(wěn)定運(yùn)行，具有重要的科學(xué)意義與工程應(yīng)用價(jià)值。
針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料表面與界面課題組從不同的分子設(shè)計(jì)思路出發(fā)，開發(fā)了系列性能優(yōu)異的工況自適應(yīng)的超分子油凝膠潤滑材料體系。
研究人員前期受硫辛酸動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)的啟發(fā)，通過可逆開環(huán)聚合構(gòu)筑了力致可逆的動(dòng)態(tài)共價(jià)油凝膠，在靜止?fàn)顟B(tài)下，二硫鍵形成穩(wěn)固三維網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)潤滑油的自約束；在剪切力作用下，二硫鍵可逆斷裂、網(wǎng)絡(luò)瓦解，轉(zhuǎn)變?yōu)榈驼扯热苣z態(tài)以自適應(yīng)降低運(yùn)動(dòng)阻力；外力撤除后，動(dòng)態(tài)二硫鍵可逆重組，凝膠網(wǎng)絡(luò)迅速恢復(fù)，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials(2025, 35(25): 2501417)上。
在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步平衡凝膠網(wǎng)絡(luò)對(duì)潤滑介質(zhì)的限域強(qiáng)度與釋放效率，研究人員設(shè)計(jì)制備了一系列含羧基錨固基團(tuán)和不同長度烷基鏈的凝膠因子。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，羧基不僅驅(qū)動(dòng)凝膠因子自組裝將基礎(chǔ)油從液態(tài)限域?yàn)槟z態(tài)，還能將凝膠網(wǎng)絡(luò)牢固錨固于基底表面。通過優(yōu)化烷基鏈長度，可精確調(diào)控凝膠網(wǎng)絡(luò)對(duì)潤滑劑的限域能力，實(shí)現(xiàn)捕獲與釋放的平衡，從而減少摩擦過程中因過度限域而形成的潤滑劑-凝膠網(wǎng)絡(luò)團(tuán)簇。其中，alkylSG16凝膠體系在摩擦過程中可在基底表面原位形成穩(wěn)定的雙層限域保護(hù)摩擦膜，使PAO10基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)最大降低72%，磨損體積減少94%。此外，該凝膠因子在多種基礎(chǔ)油及極端環(huán)境下均表現(xiàn)出良好的潤滑穩(wěn)定性和廣泛適用性，減摩抗磨性能優(yōu)于現(xiàn)有超分子潤滑系統(tǒng)及商用潤滑劑，為高效能潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和機(jī)械工程節(jié)能提供了新策略。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Research(2025, 18(11): 94908072)上，戚長敏博士生和謝翱博士后為論文共同第一作者，蔡美榮研究員為通訊作者。
圖1. (a) 具有可調(diào)烷基鏈長度的凝膠因子結(jié)構(gòu)；(b) 不同烷基鏈長度定制的自組裝網(wǎng)絡(luò)限域效應(yīng)的調(diào)控；(c) 刺激-響應(yīng)過程中限域與釋放的動(dòng)態(tài)平衡；(d) 具有雙重限域保護(hù)膜的自適應(yīng)凝膠潤滑系統(tǒng)。(e) 本工作與商用潤滑劑及已報(bào)道的超分子凝膠潤滑系統(tǒng)的性能對(duì)比。
為進(jìn)一步提升凝膠潤滑劑的機(jī)械強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，研究人員將動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（二硫鍵）與非共價(jià)鍵（氫鍵）引入同一個(gè)聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)中，形成了共價(jià)-非共價(jià)協(xié)同增強(qiáng)的凝膠潤滑劑體系。含有脲基（提供氫鍵）和二硫鍵基團(tuán)（提供動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵）的聚合物凝膠因子在基礎(chǔ)油中自組裝，構(gòu)筑了既強(qiáng)韌又動(dòng)態(tài)的超分子網(wǎng)絡(luò)——?dú)滏I賦予凝膠高機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)二硫鍵保證了其優(yōu)異的機(jī)械適應(yīng)性，兩者協(xié)同作用使得該凝膠潤滑劑在具備出色抗爬移能力的同時(shí)，能在超高負(fù)載下保持穩(wěn)定。摩擦學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，該協(xié)同網(wǎng)絡(luò)凝膠潤滑劑將基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)降低30%，磨損體積減少89%，并展現(xiàn)出高達(dá)1500 N的極限承載能力，在苛刻的變載、變頻和高溫摩擦試驗(yàn)中始終保持低而平穩(wěn)的摩擦系數(shù)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Research(2026, 19(5): 94908367)上。李建通博士生為論文第一作者，劉維民院士、蔡美榮研究員和張明副研究員為共同通訊作者。
圖2.(a) 油凝膠潤滑劑的應(yīng)用機(jī)制; (b) 凝膠潤滑劑機(jī)械自適應(yīng)機(jī)制; (c)超分子聚合物凝膠的制備; (d) 凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖; (e) 凝膠潤滑機(jī)理。
上述系列研究表明，通過精細(xì)調(diào)控烷基鏈的物理束縛、利用動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的力致可逆轉(zhuǎn)換、構(gòu)建共價(jià)-非共價(jià)鍵協(xié)同網(wǎng)絡(luò)等分子設(shè)計(jì)策略，能夠從不同途徑解決潤滑領(lǐng)域中“自約束”與“自適應(yīng)釋放”的核心矛盾，有望廣泛應(yīng)用于航空航天、精密儀器及海洋工程等領(lǐng)域，為高端裝備的綠色、長壽命運(yùn)轉(zhuǎn)提供技術(shù)支撐。
以上研究工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、國家自然科學(xué)基金等的支持。
