科研進展
蘭州化物所自適應(yīng)超分子凝膠潤滑劑研究獲系列進展
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)鍵運動部件正面臨愈發(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)定運行，具有重要的科學(xué)意義與工程應(yīng)用價值。
針對上述問題，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點實驗室材料表面與界面課題組從不同的分子設(shè)計思路出發(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態(tài)共價化學(xué)的啟發(fā)，通過可逆開環(huán)聚合構(gòu)筑了力致可逆的動態(tài)共價油凝膠，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)降低運動阻力；外力撤除后，動態(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，為了進一步平衡凝膠網(wǎng)絡(luò)對潤滑介質(zhì)的限域強度與釋放效率，研究人員設(shè)計制備了一系列含羧基錨固基團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)動凝膠因子自組裝將基礎(chǔ)油從液態(tài)限域為凝膠態(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)對潤滑劑的限域能力，實現(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)計和機械工程節(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態(tài)平衡；(d) 具有雙重限域保護膜的自適應(yīng)凝膠潤滑系統(tǒng)。(e) 本工作與商用潤滑劑及已報道的超分子凝膠潤滑系統(tǒng)的性能對比。
為進一步提升凝膠潤滑劑的機械強度和動態(tài)適應(yīng)性，研究人員將動態(tài)共價鍵（二硫鍵）與非共價鍵（氫鍵）引入同一個聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)中，形成了共價-非共價協(xié)同增強的凝膠潤滑劑體系。含有脲基（提供氫鍵）和二硫鍵基團（提供動態(tài)共價鍵）的聚合物凝膠因子在基礎(chǔ)油中自組裝，構(gòu)筑了既強韌又動態(tài)的超分子網(wǎng)絡(luò)——氫鍵賦予凝膠高機械強度和熱穩(wěn)定性，動態(tài)二硫鍵保證了其優(yōu)異的機械適應(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，能在超高負(fù)載下保持穩(wěn)定。摩擦學(xué)測試結(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)用機制; (b) 凝膠潤滑劑機械自適應(yīng)機制; (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、利用動態(tài)共價鍵的力致可逆轉(zhuǎn)換、構(gòu)建共價-非共價鍵協(xié)同網(wǎng)絡(luò)等分子設(shè)計策略，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（B類）、國家自然科學(xué)基金等的支持。
