能源部橡树岭国家实验室的科学家们发明了一种涂层，可以显着减少普通承重系统与运动部件的摩擦，从汽车传动系统到风力和水力涡轮机。它至少将钢材与钢材的摩擦力降低一百倍。新的ORNL涂层可以帮助润滑每年因摩擦和磨损而损失超过1万亿美元的美国经济——相当于国民生产总值的5%。

超润滑涂层可以减少摩擦和磨损造成的经济损失

“当部件相互滑动时，会产生摩擦和磨损，”ORNL表面工程和摩擦学组组长JunQu说。摩擦学源自希腊语，意为摩擦，是研究相对运动中相互作用表面(例如齿轮和轴承)的科学和技术。“如果我们减少摩擦，就可以减少能源消耗。如果我们减少磨损，就可以延长系统的使用寿命，从而提高耐用性和可靠性。”

Qu与ORNL的同事ChanakaKumara和MichaelLance领导了一项发表在MaterialsTodayNano上的研究，该研究涉及一种由碳纳米管组成的涂层，该涂层赋予滑动部件超润滑性。超润滑性是指几乎没有滑动阻力的特性;其特点是摩擦系数小于0.01。相比之下，当干燥金属相互滑动时，摩擦系数约为0.5。使用油润滑剂，摩擦系数降至约0.1。然而，ORNL涂层将摩擦系数降低到远低于超润滑性的临界值，低至0.001。

“我们的主要成就是让超润滑性在最常见的应用中变得可行，”曲说。“以前，你只能在纳米级或专业环境中看到它。”

在这项研究中，Kumara在钢板上生长了碳纳米管。他和曲用一种叫做摩擦计的机器使板相互摩擦以产生碳纳米管刨花。

多壁碳纳米管覆盖在钢材上，排斥腐蚀性水分，并起到润滑剂储层的作用。当它们第一次沉积时，垂直排列的碳纳米管像草叶一样立在表面上。当钢部件相互滑过时，它们实际上是在“割草”。每个叶片都是中空的，但由多层轧制石墨烯制成，石墨烯是一种原子级薄的碳片，像鸡丝一样排列在相邻的六边形中。来自剃须的断裂碳纳米管碎片重新沉积在接触表面上，形成富含石墨烯的摩擦膜，将摩擦力降低到几乎为零。

制造碳纳米管是一个多步骤的过程。“首先，我们需要激活钢表面以产生纳米级的微小结构。其次，我们需要提供碳源来生长碳纳米管，”Kumara说。他加热不锈钢圆盘，在表面形成金属氧化物颗粒。然后他使用化学气相沉积以乙醇的形式引入碳，这样金属氧化物颗粒就可以将碳以纳米管的形式逐个原子地缝合在那里。

新的纳米管在损坏之前不会提供超润滑性。“碳纳米管在摩擦中被破坏，但变成了新的东西，”曲说。“关键部分是那些断裂的碳纳米管是石墨烯片。这些石墨烯片被涂抹并连接到接触区域，成为我们所说的摩擦膜，在这个过程中形成的涂层。然后两个接触表面都被一些富含石墨烯的物质覆盖涂层。现在，当它们相互摩擦时，它就是石墨烯上的石墨烯。”

即使是一滴油的存在对于实现超润滑性也至关重要。“我们在没有油的情况下尝试过;它没有用，”曲说。“原因是，没有油，摩擦会过于强烈地去除碳纳米管。然后摩擦膜不能很好地形成或存活很长时间。这就像一台没有油的发动机。它会在几分钟内冒烟，而有油的发动机可以轻松运行数年。“

ORNL涂层的卓越滑爽性具有持久力。超润滑性在超过500,000次摩擦循环的测试中持续存在。Kumara测试了3小时连续滑动的性能，然后是1天和12天。“我们仍然获得了超润滑性，”他说。“很稳定。”

使用电子显微镜，Kumara检查了被割下的碎片，以证明摩擦磨损已经切断了碳​​纳米管。为了独立确认摩擦缩短了纳米管，ORNL的合著者Lance使用了拉曼光谱，这是一种测量振动能量的技术，与材料的原子键合和晶体结构有关。

“摩擦学是一个非常古老的领域，但现代科学和工程为推动这一领域的技术发展提供了一种新的科学方法，”屈说。“在过去大约20年之前，基本的理解一直很肤浅，当时摩擦学获得了新生。最近，科学家和工程师真正聚集在一起使用更先进的材料表征技术——这是ORNL的优势。摩擦学是多学科的。不一个人是无所不能的。因此，在摩擦学中，成功的关键是合作。”

他补充说，“在某个地方，你可以找到在碳纳米管方面具有专业知识的科学家，在摩擦学方面具有专业知识的科学家，在材料表征方面具有专业知识的科学家。但他们是孤立的。在ORNL，我们在一起。”

ORNL的摩擦学团队完成了屡获殊荣的工作，吸引了行业合作伙伴和许可。2014年，由ORNL、通用汽车、壳牌全球解决方案和路博润开发的一种用于节能发动机润滑油的离子抗磨添加剂获得了R&D100奖。ORNL的合作者有Qu、HuiminLuo、ShengDai、PeterBlau、ToddToops、BrianWest和BruceBunting。

同样，当前论文中描述的工作入围了2020年R&D100奖。研究人员已经为其新型超润滑涂层申请了专利。

“下一步，我们希望与工业界合作，向美国能源部撰写一份联合提案，以测试、成熟和许可该技术，”屈说。“十年后，我们希望看到改进的高性能车辆和发电厂，减少摩擦和磨损造成的能量损失。”

更多信息：ChanakaKumara等人，牺牲碳纳米