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超滑——人类有望摆脱摩擦困扰的新技术

来源:科普时报    时间:2020-01-14    

  摩擦现象在人们日常生活和工业生产中处处可见,在摩擦现象发生的同时,往往伴随磨损的产生。摩擦、磨损不仅造成巨大的能源浪费(约占全球一次性能源30%左右),同时造成设备、器件、材料的巨大损失。每个国家的GDP结构不同,每年因此造成的财产损失与GDP的占比也不相同,一般在2~7%。

  我国是制造大国,单位GDP能耗高(约为全球平均水平2.1倍),机械装备使用寿命较短、低端高耗能装备较多,因此,每年因摩擦、磨损造成的浪费巨大。超滑是一种摩擦能耗与磨损率有望降低几个数量级的变革性技术,将在我国工业发展中发挥巨大的作用。

  人们为了解决摩擦问题,曾经致力于钻研永动机或者永恒运动。在人们的想象中,永动机是一种机械装置,可以永不停歇地工作运转。早在1200年前后,有人就试图想制造这种机械装置,但是尝试都以失败告终。

  19世纪中叶,随着科学家们正确认识能量转化和物质运动形式相互转化关系而提出的能量守恒定律,永动机的设计逐渐被公认为不可能实现的想法。在运动做功过程中的能量损耗,是造成永恒运动无法实现的根本原因,即由于摩擦能量耗散和体系无法做到绝对绝热,总能量会逐步降低,无法维持系统的永恒运动。但是,如何改善润滑,使系统能够在传递能量的同时尽可能最大限度地降低自身的摩擦能量损耗,成为众多科学家终身奋斗的理想。

  超滑是近年来摩擦学领域发展最快的方向之一。相比传统机械系统,摩擦系数成数量级降低(达到0.001量级或更小)。超滑有望大幅度降低摩擦能耗、材料磨损和摩擦噪声,成为摩擦学领域在人类文明史上的又一个重要贡献。

  超滑通常可以分为两大类,即固体超滑和液体超滑。清华大学固体超滑和液体超滑方面的研究均据世界前列,揭示了一系列新的物理机制。在固体超滑方面,实现了宏、微观稳定超滑,摩擦系数降到了0.0001以下,承载能力达到2GPa以上。在液体超滑方面,提出了超滑的双电层效应、流体效应和水合效应作用或协同作用机制,摩擦系数降低了两个数量级(达0.0003),承载能力提高了一个数量级(GPa量级),为“超滑工程”(Superlubricitive Engineering)的实现奠定了基础。

  未来超滑研究的发展趋势包括:探索超滑的新机理和新材料,以扩大超滑体系的研究范围;研制灵敏度高、实验条件范围大的精确测量仪器,探索摩擦系数的下限;提高超滑体系的承载能力或拓展超滑的速度域;在宏观大尺度和苛刻条件下实现超滑,将超滑技术推向工业应用。

  人类社会生产生活离不开摩擦与润滑,涉及人类长久发展的能源与资源问题与其密切相关。超滑技术由于其超低摩擦系数与近零磨损率的优异特性,将为未来工业进步与社会发展提供重要的支撑。

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