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摘要
超润滑的概念由日本科学家平野元九教授于1990年提出。2004年,人们在实验室条件下首次观察到纳米尺度下的超润滑现象。此后,国际上关于超润滑的研究变得越来越热,以石墨烯为代表的多种二维材料由于在原子和分子层尺度展现出独特的摩擦学性质,成为超润滑研究领域的主要材料。然而,目前所观察到的可以展现出超润滑性能的材料的尺寸基本都处在纳米-微米尺度(尽管长达厘米级的双壁碳纳米管也表现出超润滑性能,但其为一维材料,在垂直于轴向的两个维度上仍然为纳米级)。主要原因是:(1)微观与宏观尺度下材料摩擦行为的差异很大,涉及同时发生的复杂的物理、化学、机械等相互作用,摩擦学机理、模型不通用;(2)宏观尺寸零部件表面的粗糙度也难以达到目前大多数超润滑现象所需的原子级平整度、光洁度等苛刻条件。因此,目前关于超润滑技术的研究大多基于二维材料,而且大多停留在严格控制条件下的实验室研究阶段。2012年,清华大学的研究人员在真空中发现了热解石墨片的自缩回现象,首次将超润滑从纳米尺度拓展到微米尺度,为近年来超润滑研究的一个重要节点。最近,兰州空间技术物理研究所在超润滑固体薄膜及其制备技术领域取得突破,所制备的新型a-C∶H基薄膜实现了宏观尺寸零部件的长寿命超润滑,并应用于BP-1B试验卫星(2019年7月25日发射),通过了国际上首次超润滑薄膜的空间飞行验证,具有里程碑式的重要意义。本文首先简述了超润滑材料的研究进展,随后梳理并详细介绍了八种具有代表性的超润滑现象及相关机理,具体为引入滚动摩擦、液体超润滑、结构超润滑、压力诱导能垒平坦化、弱层间作用力、接触界面同电荷互斥、控制正压力或接触点调制、量子隧穿效应,然后总结了超润滑技术的研究和应用现状,最后对超润滑技术后续的研究和应用的方向进行了展望。
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