蘭州化物所在六方氮化硼基納米潤滑材料研究中取得進(jìn)展

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識增強(qiáng)，開發(fā)無污染、無毒、生物降解性好的“綠色”潤滑劑愈加重要。潤滑劑的主要組成要素是潤滑介質(zhì)（基礎(chǔ)油、水、離子液體等）和添加劑，因而開發(fā)“綠色”添加劑成為重要研究課題之一。六方氮化硼納米片（h-BNNSs）與石墨烯結(jié)構(gòu)相似，具有優(yōu)異的生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度、高溫抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性，是一種頗具發(fā)展前景的“綠色”添加劑。然而，由于h-BNNSs化學(xué)穩(wěn)定性好，難以改性，使其較難長期穩(wěn)定分散于潤滑介質(zhì)中充當(dāng)添加劑。因此，如何提高h(yuǎn)-BNNSs在潤滑介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性成為其能否作為潤滑劑添加劑的關(guān)鍵問題之一。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所納米潤滑課題組基于h-BNNSs層間相互作用、結(jié)構(gòu)及功能調(diào)控的策略，開展了h-BNNSs基潤滑劑添加劑設(shè)計(jì)、開發(fā)、潤滑性能優(yōu)化以及摩擦學(xué)機(jī)制等方面的研究，設(shè)計(jì)制備出一系列h-BNNSs基潤滑劑添加劑。

基于對電子分布狀態(tài)與相應(yīng)摩擦性能之間的構(gòu)效關(guān)系，研究提出了通過調(diào)整h-BNNSs體系的電子結(jié)構(gòu)來改變層間相互作用，從而降低h-BNNSs層間摩擦的方法。研究基于“egg-box”模型，引入氟（F）、氫（H）、氧（O）等原子促進(jìn)電子在雙層h-BNNS層間和層內(nèi)的再分布，從而改變層間的相互作用能（圖1）。這種能量變化可以有效調(diào)控層間的摩擦學(xué)行為，尤其在層間距達(dá)到臨界數(shù)值時(shí)，體系可以實(shí)現(xiàn)超低摩擦。該研究為控制和降低二維納米材料層間的摩擦提供了新策略，并為實(shí)驗(yàn)分析和工程應(yīng)用提供了良好的理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在、、上。

研究運(yùn)用機(jī)械剝離-原位改性工藝，制備出聚合物和氟元素功能化h-BNNSs (Pebax-BNNSs和F-BNNSs)，并剖析了Pebax-BNNSs和F-BNNSs作為水基納米潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能和摩擦機(jī)制。其中，Pebax-BNNSs/水分散體系通過“彌散補(bǔ)償-填充-修復(fù)”過程實(shí)現(xiàn)超低摩擦（COF≤0.01，圖2a）；而對F-BNNSs/水分散體而言，F(xiàn)改性可以促使F-BNNSs邊緣發(fā)生卷曲，并在剪切力的作用下，F(xiàn)-BNNSs在滑動(dòng)界面處形成納米卷結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致摩擦界面形成非公度接觸，從而有效降低界面間摩擦磨損（圖2b）。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在、上。

研究人員還制備了h-BNNSs包裹碳納米顆粒（CNP@h-BNNSs）結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可直接涂覆于非晶碳膜表面，優(yōu)化碳基薄膜在潮濕環(huán)境下的摩擦學(xué)性能。研究表明，對偶鋼球表面電荷和核心碳納米顆粒之間的靜電吸引力有助于形成保護(hù)性摩擦層，而暴露在摩擦界面的h-BNNSs充當(dāng)潤滑劑，從而降低了能耗和摩擦力（圖3a）。此外，研究人員采用多巴胺功能化h-BNNSs，以提高h(yuǎn)-BNNSs的界面相容性和成膜性，并在聚乙烯醇的輔助下，利用簡便的環(huán)保噴涂工藝制備出致密的h-BN@PDA基涂層。h-BN@PDA納米片可作為耐腐蝕性介質(zhì)的阻擋層或潤滑劑/潤滑層，以減少界面腐蝕或磨損，從而表現(xiàn)出良好的防腐和減摩性能（圖3b）。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在、上。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、甘肅省自然科學(xué)基金、蘭州化物所特聘人才計(jì)劃等的支持。