西安工程大学《Carbon》：蛋盒状MoS2/GO/SiOC陶瓷基复合材料，可加速超润滑在未来工业系统中的应用

成果简介

超润滑作为一种摩擦和磨损几乎消失的摩擦学状态，引起了科研人员的强烈兴趣。然而，由于大接触面积下表面缺陷和弹性变形的增加，将微纳米尺度超润滑扩展到宏观尺度仍然面临巨大的挑战。本文，西安工程大学在《Carbon》期刊发表名为“Internal and external MoS2/GO heterostructure enhanced multi-point contact egg-box inspired SiOC for macroscopic ultra-low friction”的论文（青年教师赵钰为第一作者和通讯作者），研究报道了一种有效实现宏观低摩擦磨损的策略，利用光固化3D打印技术设计制备了仿蛋盒SiOC结构，将宏观接触面转化为微米点接触的集合，降低了滑动接触面积，同时借助MoS2/GO异质结的高层间滑移协同实现了干滑动条件下的宏观超低摩擦磨损。

仿蛋盒结构化MoS2/GO/SiOC陶瓷基润滑材料在5 N、2000次室温循环下的摩擦系数低至0.08，18000次室温循环下的摩擦系数稳定保持在0.09。有限元计算和磨痕分析得出其优越的性能归因于高刚高硬、多点接触和异质润滑界面的协同作用。这为加速超润滑在未来工业系统中的应用提供了理论依据和实验基础。

图文导读

图1、 3D打印结构化MoS2/GO/SiOC复合材料的设计与制备图：（a）结构化复合材料制备过程示意图；（b）不同曲率仿蛋盒结构设计与模型；（c）SMG1-90的SEM图

图2、 3D打印结构化MoS2/GO/SiOC复合材料的微观形貌与结构：（a）不同曲率结构SMG1的光学图像；（b-f）SMG1-30, SMG1-60, SMG1-90, SMG1-120和SMG1-150的SEM图；（g）SMG1-90表面MoS2/GO的SEM图；（h）SMG1-90内部MoS2/GO的TEM图和对应的元素映射图

图3、 仿蛋盒结构化复合材料在2 N、5 Hz干滑动条件下的摩擦性能：（a-b）不同曲率结构SMG1的摩擦系数曲线和平均摩擦系数；（c）不同MoS2/GO含量的结构化复合材料（K=1.57, q=90°）SEM图；（d-e）SiOC-90, SMG1-90, SMG3-90和SMG5-90的摩擦系数曲线和平均摩擦系数

图4、 内外兼具MoS2/GO的结构化复合材料在5 Hz、干滑动条件下的摩擦性能：（a-b）不同载荷下的摩擦系数曲线和平均摩擦系数；（c）5 N、18000次循环下的摩擦性能

图5、 仿蛋盒结构化复合材料的减摩降磨作用机制示意图

小结

综上，本工作利用3D打印技术和热浸渍工艺开发了一种创新且简单的方法来构建高刚性、多点接触的仿蛋盒MoS2/GO/SiOC陶瓷基复合材料。通过有限元模拟研究了不同曲率仿蛋盒结构在对磨过程中受到的应力分布情况和磨损情况；实验研究了不同曲率仿蛋盒结构化复合材料的摩擦磨损性能；结合磨痕表征分析阐述了相应的润滑机制，实现了结构化陶瓷基复合材料的宏观超低摩擦磨损，为加速超润滑在未来工业系统中的应用提供了理论依据和实验基础。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118908

作者介绍：

赵钰，西安工程大学讲师，硕士生导师。致力于3D打印结构化摩擦润滑复合材料研究。近年来主持陕西省教育厅科研计划项目1项，西安工程大学科研计划项目1项，作为核心骨干参与国家自然科学基金重点项目、国防基础科研计划等4项国家级科研项目。已发表学术论文20余篇，其中SCI论文15篇，以第一作者/通讯作者在ACS Nano、Compos. Part B: Eng.、J. Mater. Sci. Technol.、Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces等高水平期刊发表学术论文9篇，总被引>300次，公开/授权国家发明专利4项。担任Additive Manufacturing Frontiers、《中国钼业》等期刊青年编委。