内容简介
鉴于水性绿色润滑剂在减少能源消耗和碳足迹方面的巨大潜力，通过使用水性绿色润滑剂实现工程钢的宏观尺度超润滑性已经引起了越来越多的关注。然而，在各种滑动条件下长时间保持超润滑性是实际规模应用的主要障碍。该文报道，通过基于水性甘油中羧基化石墨烯量子点 （CGQD） 的独特润滑机制，实现了稳健长效的摩擦膜在自配对钢-钢接触中触发了宏观尺度的超润滑性。作者在布鲁克UMT摩擦实验平台上，设计了专门的间歇测试，以展示超润滑性的稳健性（结果表明边界膜的平均摩擦系数约为 0.007）以及摩擦膜适应各种相关滑动条件的能力。使用布鲁克白光干涉仪Contour GT分析了磨斑直径（WSD）、表面粗糙度和磨损表面的形态，精确定量出球的磨损减少高达 69%（与基础润滑剂相比）。该润滑膜在 123 MPa 的实际最终接触压力下保持超润滑性，与水性润滑钢接触件相比，这增加了接触压力的上限。CGQDs通过化学吸附在磨损的金属表面，再加上摩擦诱导的结构降解和CGQDs转化为层状石墨结构，从而产生适应性强的低剪切界面，实现了新的超润滑机制。该研究为CGQDs的化学吸附和结构转化在实现超润滑性中的作用提供了新的见解，是工业化应用节能和绿色润滑技术的重要一步。
该文于2024年6月发表在Carbon杂志上。
通过向甘油水溶液Gaq中添加4种不同浓度的CGQDs（即0.01、0.025、0.05和0.1 wt%）来制备CGQDs水溶液（CGQDsaq），图1和图2显示了CGQDsaq在不同接触压力、滑动速度和不同浓度下的宏观超润滑行为。
图1 CGQDsaq的摩擦学特性：（a）分别用纯水、Gaq(甘油水溶液)和0.1 wt% CGQDsaq润滑时COF随时间的变化（测试条件：3.5 N和0.1 m/s）。（b） 用0.1 wt% CGQDsaq（3.5 N和0.1 m/s）润滑的自配对a-C：H和钢接触的摩擦性能比较。（c） 在各种法向载荷（2–10 N，0.1 m/s）和（d）用0.1 wt % CGQDsaq润滑的各种滑动速度（0.05–0.15 m/s，3.5 N）下COF随时间的变化。
图2 （a） 不同浓度CGQD超润滑期间的平均COFs和相应的最终接触压力（FCP）（3.5 N， 0.1 m/s）。（b） 在各种载荷和滑动速度下（CGQDs的浓度为0.1 wt%）的超润滑状态时的相应FCP，其中FCP的计算方法是将法向施加的载荷除以球上磨损区域的接触面积。
图3 使用 Gaq 和 0.1 wt% CGQDsaq（3.5 N， 0.1 m/s） 进行摩擦测试后磨损表面的表征：（a） 用（i） Gaq 和 （ii） CGQDsaq 润滑的球和盘的 白光干涉3D 表面形貌和磨损表面分析。（b） 用 （i） Gaq 和 （ii） CGQDsaq 润滑的磨损表面形态的 SEM 图像。
可以非常直观看出，白光干涉方法的三维形貌图像和定量数据直截了当地区分了两种不同润滑液下的磨损后表面的巨大差异，0.1 wt% CGQDsaq 的润滑效果远胜Gaq。SEM图对比则较难分辨。
图4 通过在各种滑动速度和负载条件下执行原位启停测试来评估超润滑性的稳健性和稳定性。测试是在使用 0.1 wt% CGQDsaq 不改变摩擦副的水平位置的情况下进行的。步骤x是使用纯水进行的。
图5 长时间的摩擦测试证明了超润滑性的使用寿命。使用 50 μL 0.1 wt% CGQDsaq 液滴进行测试，不改变摩擦副的水平位置; 施加的载荷为3.5 N，滑动速度为0.1 m/s。
图6 CGQDsaq在钢/钢接触中的超润滑机理示意图。（a） CGQDs在磨损的钢表面上的吸附;（b） 摩擦诱导的CGQDs内部石墨烯片的剪切和剥落;（c）CGQDs结构转化后的摩擦膜，形成具有层状的石墨结构。
CGQDs作为甘油水溶液中的添加剂，在自配对钢对钢接触间提供了强大的超润滑性，适用于各种摩擦学工况，其COF低至0.005-0.0095，与不含任何纳米添加剂的甘油水溶液相比，摩擦减少了72-78%。同时，表面磨损得到极大抑制，导致润滑状态下的最终接触压力高达123 MPa，从而提高了水性润滑钢接触件在边界润滑条件下的接触压力上限。这种润滑性能的增强归因于CGQDs在磨损表面上的强大吸附能力，再加上滑动诱导的结构降解和CGQDs向层状石墨结构的转变，导致了低剪切界面的产生。一旦形成具有结构转化CGQDs的摩擦膜，它就可以保持其超润滑状态并适应不同的滑动条件，而无需额外供应CGQDsaq。这项研究在寻找钢接触中超润滑性方面取得了重大进展，文章阐明了化学吸附和CGQDs的结构转变在水润滑条件下实现超润滑性的作用。
本研究中的摩擦实验在布鲁克通用型摩擦磨损实验平台UMT进行。通过改变不同接触压力、滑动速度和不同浓度的羧基化石墨烯量子点水性甘油润滑液等条件，考察了CGQDs作为纳米添加剂加入润滑液后在钢/钢摩擦时宏观超滑的稳健性和长效性。UMT摩擦试验机优异的稳定性保证了时长超过几十小时，摩擦距离超过10千米，不断启停时测试数据的灵敏度，准确性和稳定性。此外，布鲁克白光干涉仪对摩擦实验前后球-盘的粗糙度，三维形貌和磨损形态进行了准确细致的表征。直观对比了不同润滑液磨损后磨痕的表面状态，以其XYZ三维方向的高分辨，准确给出了在不同润滑液下磨损后的磨斑直径，磨痕轮廓和磨损量的差异。
原文链接：
Robust and durable superlubricity enabled by carboxylated graphene quantum dots in lubricated steel contacts
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119226
Bruker 摩擦磨损测试平台介绍：
https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/test-and-measurement/tribometers-and-mechanical-testers/umt-tribolab.html
Bruker白光干涉三维形貌仪介绍：
https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/test-and-measurement/3d-optical-profilers.html
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