摩擦！摩擦！在「陶瓷」表面光滑的摩擦！

兩個相互接觸的物體沿著接觸面的切線方向運動或有相對運動的趨勢時，接觸面之間就會發生「摩擦」。摩擦作為伴隨運動的一種物理現象，如一個「精靈」自人類誕生起就始終伴隨著人類，沒有這個精靈人類將「寸步難行」。但很多情況人類又不得不與這個「精靈」抗衡，因為「精靈」會變成「摩擦怪」。「摩擦怪」會導致物體接觸表面的磨損，嚴重的磨損會使得正常工作的運動機構失效；而且，摩擦會消耗過多的能源，帶來巨大的經濟損失。因此，為了打敗這個「摩擦怪」，人們想了很多辦法降低或削弱「摩擦怪」的破壞力。其中最有效的方法就是給「摩擦怪」喂一種葯，這種「葯」就是我們常說的潤滑劑。這種「藥物」的形態與人類吃的藥物相似，也分為液體和固體，液體藥物包括各種潤滑油脂，而固體藥物有石墨、二硫化鉬等等。這些「藥物」可以大大降低「摩擦怪」的威力，為人類節約很多資源和能源。但是在一些特殊情況下，即使給「摩擦怪」餵了「藥物」，其所起的作用也不是十分明顯或有效。例如陶瓷材料在摩擦時，會出現很多磨碎的碎屑，這些碎屑會讓各類的潤滑劑尤其是固體潤滑劑起不到很好的作用。因此，如何有效地減輕陶瓷材料的磨損，讓陶瓷「摩擦怪」不能肆意地發揮破壞威力，成為了人類在科學技術領域的一個難題。

中國科學院蘭州化學物理研究所周惠娣研究員團隊長期致力於熱噴塗陶瓷基塗層工藝和性能的研究。最近，該團隊利用熱噴塗陶瓷塗層本身具有的內部微觀孔隙或裂紋，通過水熱反應法，在這些孔隙和裂紋內部原位生長出具有潤滑特性的納米片狀 。該方法實現了潤滑劑在摩擦表面的有效引入，並對陶瓷塗層摩擦表面原有的缺陷進行了修復，最終實現了陶瓷塗層與金屬對偶之間的有效潤滑，顯著降低了塗層對金屬對偶的磨損。

在此研究基礎上，為了獲得具有超長壽命、低摩擦係數和磨損性能更突出的陶瓷基複合塗層材料，受到動物骨松質結構和關節軟骨營養機制的啟發，研究人員把目光轉向了仿生學，希望將天然生物系統中優異的摩擦學特性進行移植和模仿。研究人員利用熱噴塗工藝製備出了一種具有優異摩擦學性能的仿生智能塗層，即在噴塗後的陶瓷塗層表面再進行激光織構化處理得到規則排列的孔，繼而在這些孔中引入高性能潤滑材料。最終，獲得的陶瓷塗層在較大範圍內的摩擦速率和載荷變化下，可保持低的摩擦係數，在高載荷下（1.4n GPa）的摩擦係數可達<0.065，並且具有優異的摩擦壽命（>1×轉）。在超長時間的摩擦測試過程中，塗層可實現類似生物組織的「自修復/自適應」功能，展現出近零磨損的特性，而且對對偶材料的損傷極其輕微，這種優異的摩擦學性能得益於該陶瓷複合塗層以摩擦熱和壓力為驅動力和修復力，在摩擦表面形成了可不斷修復的類「軟骨層」潤滑轉移膜。

上述研究思想和成果不但適用於陶瓷塗層材料，也適用於陶瓷整體材料，為未來在該領域的研究打開了一扇窗。以上相關結果近期相繼發表在 Ceramics International, 2017, 43(9):6976-6986，Materials Letters 193 (2017)199–202和ACS Applied Materials &Interfaces（DOI:10.1021/acsami. 7b03986）。

上述研究工作得到了中科院「青年創新促進會（2014378）」和「西部之光」西部青年學者 A 類人才培養項目的長期支持。

圖1內孔原位生長固體潤滑相的複合塗層的摩擦學性能

圖2 具有優異摩擦學性能的仿生智能塗層

作者安宇龍，系中國科學院蘭州化學物理研究所副研究員