◇“做科研是我為國家作貢獻的最好方式，也是無上光榮。要讓中國人在摩擦學領域中做到最好，我們還需要更加努力。”

◇  超滑是近年來摩擦學領域發(fā)展最快的方向之一。潤滑油的摩擦系數(shù)為0.01～0.1，而超滑的摩擦系數(shù)要比潤滑油低一個數(shù)量級以上，達到0.001量級或更小。超滑是摩擦學領域在人類文明史上的又一貢獻

 

文 |《瞭望》新聞周刊記者 扈永順

 

清華大學高端裝備界面科學與技術全國重點實驗室

（2020 年攝）受訪者供圖

 

　　摩擦在生活中隨處可見。有的用途需要增大摩擦力，例如汽車的剎車片；有的用途則需要減小摩擦力，例如機械設備中的軸承。

　　我國是制造大國，機械裝備使用過程會產(chǎn)生摩擦，摩擦現(xiàn)象發(fā)生時往往伴隨磨損。摩擦、磨損會加大能源消耗，給設備、器件、材料帶來損失。黨的二十大報告提出，推動制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展。通過摩擦學領域的科研攻關，降低摩擦系數(shù)，可以有效減少磨損，是推動制造業(yè)高端化、綠色化發(fā)展的重要途徑之一。

　　降低運動摩擦能耗、提高精度、減少噪音、延長壽命是摩擦學界乃至材料學界的一大難題。近年來，我國在摩擦學領域取得了一系列重要突破。這些貢獻離不開一位在摩擦學領域潛心鉆研的科學家，他就是中國科學院院士、清華大學摩擦學國家重點實驗室原主任雒建斌。

　　30多年來，雒建斌帶領團隊不懈攻關，研制了新型納米級潤滑膜厚度測量儀。在國際上首次提出薄膜潤滑狀態(tài)概念，填補了彈性流體動壓潤滑與邊界潤滑之間的理論空白。發(fā)現(xiàn)了新的超滑體系和超滑機理，在工業(yè)應用領域大膽探索超滑和拋光問題，為工業(yè)發(fā)展解決了一系列技術難題。

　　“人們吃藥時會覺得很難咽下去，挺難受。我們將來要應用超滑研究，給藥丸表面做一層潤滑膜，吞咽藥物時就會很順利。”雒建斌用這種生活中的小例子來講解高深的科學。目前，雒建斌團隊在超滑研究方面已經(jīng)走到了全球最前列，推動了超滑走向工業(yè)應用。

　　近日，《瞭望》新聞周刊記者專訪雒建斌院士，看如何通過超級潤滑助力制造業(yè)綠色發(fā)展。

 

解決摩擦問題助力綠色發(fā)展

《瞭望》：你是如何結緣摩擦學的？前期研究取得了哪些成果？

雒建斌：恢復高考第二年我考上了東北大學材料系，畢業(yè)后進入西安電纜廠擔任技術員。制作電纜的一道工藝叫拉拔銅絲，夏天拉的銅絲容易氧化變色，成為廢品。我和同事一起演算試驗，為控制銅絲氧化、降低銅絲溫度提出潤滑意見。從那時起，我就對摩擦學產(chǎn)生了濃厚興趣。

 

1985年我考入西安建筑科技大學冶金系讀碩士研究生，開始系統(tǒng)學習摩擦學知識。為更加專業(yè)地從事摩擦學研究，1991年，我考取清華大學精密儀器與機械學系博士研究生，進入摩擦學國家重點實驗室，師從我國著名摩擦學專家溫詩鑄院士。后來，溫詩鑄院士到國外考察，得知納米級潤滑膜測試技術是當時全新的國際前沿領域，他把研發(fā)這項技術的任務交給了我。

 

我們摸著石頭過河，最終研制出了納米級薄膜厚度測量儀，為后續(xù)的薄膜潤滑理論研究奠定了基礎，這一測量儀于1996年獲得國家發(fā)明獎三等獎。我們團隊還在納米潤滑研究方面提出了填補彈性流體動壓潤滑與邊界潤滑之間空白的新型潤滑狀態(tài)——薄膜潤滑，并于2001年獲得國家自然科學獎二等獎。

 

做科研是我為國家作貢獻的最好方式，也是無上光榮。要讓中國人在摩擦學領域中做到最好，我們還需要更加努力。

 

《瞭望》：為什么摩擦學研究如此重要？

雒建斌：機械摩擦、磨損與潤滑統(tǒng)稱為摩擦學，它是一個交叉學科，涉及機械、材料、物理、化學等學科。應用面涉及工業(yè)母機、飛機、車輛等。

 

摩擦、磨損消耗了全球一次性能源30%左右，造成巨大的能源浪費，同時帶來設備、器件、材料的損失。每個國家的GDP結構不同，每年因此造成的財產(chǎn)損失與GDP的占比也不相同，一般在2%～7%。

 

我國是制造大國，但機械裝備使用壽命較短、低端高耗能裝備較多，每年因摩擦、磨損造成的浪費巨大。解決此類問題，直接關系國家乃至全球的綠色發(fā)展之道。

 

超滑將摩擦系數(shù)無限接近零

《瞭望》：在超滑領域，你帶領團隊取得了哪些突破？

雒建斌：超滑是近年來摩擦學領域發(fā)展最快的方向之一。潤滑油的摩擦系數(shù)為0.01～0.1，而超滑的摩擦系數(shù)要比潤滑油低一個數(shù)量級以上，達到0.001量級或更小。超滑作為一種能將摩擦能耗與磨損率降低幾個數(shù)量級的變革性技術，是摩擦學領域在人類文明史上的又一個重要貢獻。

 

超滑分為液體超滑、固體超滑和固液耦合超滑。最早的液體超滑是英國物理學家Kapicha于1938年發(fā)現(xiàn)的，即氦在約零下271℃時，流體內(nèi)摩擦消失。但對于降低摩擦能耗而言其意義不大，因為降溫所需要的能量遠遠大于一般摩擦能耗。因此，如何在室溫甚至更高溫度下實現(xiàn)超滑成為人們追求的目標。上世紀90年代，以色列Klein教授在云母表面間通過帶電聚合物分子水溶液中的水合作用實現(xiàn)了超滑。日本Kato教授小組在陶瓷摩擦副之間加入純水磨合2小時，也實現(xiàn)了超滑。

 

我們團隊研究超滑經(jīng)常受生活現(xiàn)象啟發(fā)。有次我喝到一碗莼菜湯，莼菜非?；易聊ポ徊酥械哪承┏煞只蛟S具有超滑效應，我們便開展了莼菜的超滑性能研究；還有一次，團隊成員抱著好奇心，把酸奶加到了實驗超滑的機器上，沒想到屏幕上的摩擦系數(shù)曲線驟然降低。經(jīng)過嚴謹論證，酸奶實現(xiàn)的是“假超滑”。我們考慮如果找到酸奶中導致摩擦降低的關鍵因素，也許會對實現(xiàn)超滑有幫助。在反復實驗后，我們發(fā)現(xiàn)酸奶中起關鍵作用的是乳酸。受其啟發(fā)，我們嘗試用各種酸進行實驗，最終發(fā)現(xiàn)使用磷酸溶液可以實現(xiàn)摩擦系數(shù)為0.005以下的超滑狀態(tài)。

 

在發(fā)現(xiàn)莼菜超滑、磷酸超滑等現(xiàn)象后，我們團隊相繼提出流體效應超滑機制、雙電層超滑機制和固液耦合超滑機制，將超滑液體體系和適用的摩擦副材料大幅度擴展。特別是我們提出的固液耦合超滑體系，將實現(xiàn)超滑時的接觸壓力提高了一個數(shù)量級，達到GPa（壓強單位）量級，為超滑走向實用打開了大門。在固體超滑方面，我們實現(xiàn)了大氣條件下的DCL膜超滑、異質(zhì)表面超滑、非方向依賴性超滑、耐低溫超滑等，將實現(xiàn)超滑時的接觸壓力提升到3GPa以上，已開始走向應用試驗。2021年，我們提出超滑工程概念，將超滑技術應用到具體工程中，如海洋裝備、交通工具、風力發(fā)電機等能源裝備、航空航天裝備等，可以大幅度減少能耗，提高裝備壽命。預計一旦超滑工程完全實現(xiàn)，能為人類每年節(jié)約上萬億美元材料和裝備消耗，會使發(fā)展之路更“綠”。

 

《瞭望》：薄膜潤滑理論研究在指導工業(yè)生產(chǎn)制造中發(fā)揮了怎樣的作用？

雒建斌：提出薄膜潤滑狀態(tài)是我們對完善潤滑理論體系的一份貢獻。目前多種超滑現(xiàn)象均處于薄膜潤滑狀態(tài)。

 

此外，我們在薄膜潤滑研究中，發(fā)現(xiàn)在潤滑膜中加入納米金剛石顆粒后，產(chǎn)生了良好的微拋光作用。因此，我在與全球最大的計算機硬盤磁頭制造公司（SAE）對接時，提出將納米金剛石顆粒用于磁頭表面拋光的理念，并率領團隊攻關數(shù)月，將清華大學的實驗室研究和企業(yè)現(xiàn)場的試驗結合，成功把納米金剛石顆粒引入磁頭表面拋光液中，將磁頭表面粗糙度降低了50%，為SAE降低磁頭飛行高度，提高硬盤密度作出了貢獻。

 

我們團隊還將納米拋光技術逐步擴展到硅晶圓拋光、化學機械拋光（CMP）裝備等。晶圓表面的殘存顆粒數(shù)是晶圓制造最關鍵的一個指標，多一個顆粒，就多一個廢品點，納米拋光技術能提升晶圓表面的清洗效果，降低顆粒數(shù)；在超大規(guī)模集成電路制造中，化學機械拋光（CMP）是半導體器件制造工藝中的一種技術，即使用化學腐蝕及機械力對加工過程中的硅晶圓或襯底材料進行平坦化處理。我們課題組路新春教授孵化的CMP裝備制造公司華海清科已經(jīng)在科創(chuàng)板上市，為我國集成電路制造裝備的發(fā)展作出了巨大貢獻。

 

實現(xiàn)材料表面原子尺度可控去除

《瞭望》：中國科協(xié)發(fā)布了10個對科學發(fā)展具有導向作用的前沿科學問題，其中一項即實現(xiàn)材料表面原子尺度可控去除。你對此有何建議？

雒建斌：微觀磨損不僅是微/納機電系統(tǒng)應用中的關鍵問題，而且是納米制造的共性基礎問題。當前微觀磨損研究注重材料磨損性能的表征，缺乏對原子級材料去除機理的深刻認識。圍繞材料表面原子尺度可控去除展開的研究和成果，有助于探明外界能量與固體材料原子級去除之間的映射關系，揭示材料微觀去除過程中的機械化學耦合作用機制，實現(xiàn)超精密表面的極限精度加工，有助于推動微/納機電系統(tǒng)的實用化進程。

 

例如在化學機械拋光過程中，如何實現(xiàn)原子級光滑表面制造是一個難題，其中一個方面就是可否實現(xiàn)原子級材料可控去除。

 

為加快實現(xiàn)技術突破，在中國機械工程學會的組織下我們進行了專題討論，形成了以下建議：

 

一是在立項方面。建議設置基礎和應用研究型項目，涵蓋培育、重點和重大等項目，申報項目時需要跨學科跨專業(yè)申報，應用研究型項目要有企業(yè)參與；項目結題要求有企業(yè)批量應用。

 

建議國家相關部門出臺針對性的發(fā)展規(guī)劃，重點布局原子尺度下的理論研究立項，尤其是基于量子力學的材料特性相關理論方法研究。同時也要兼顧探索現(xiàn)有高精度高通量工藝方法拓展到原子級可控去除的可能性，注重工藝機理研究和現(xiàn)有高精度工藝方法的交叉融合。

 

建議設立面向界面原子尺度調(diào)控基礎研究、原子級制造技術開發(fā)、重大需求與經(jīng)濟戰(zhàn)場工程應用的集成攻關大平臺，集成多學科高校院所以及企業(yè)等多種力量，在原子級界面調(diào)控機制、成形缺陷率控制方法等方面加強研究，為加工裝備提供基礎前沿技術支撐與共性關鍵技術突破，實現(xiàn)多場耦合的異質(zhì)材料局部以及全局的化學機械拋光，二維材料的可控納米結構加工，超長精密測量光柵、波導顯示光柵、光學超表面透鏡等重大關鍵技術和基礎元件的創(chuàng)新制造，打造從界面原子尺度調(diào)控機制、原創(chuàng)性原子級加工技術到納米元件工程應用創(chuàng)新鏈。

 

二是在人才培養(yǎng)方面，設置戰(zhàn)略科學家，老中青合理搭配，特別是加強青年科學家的參與。以若干典型器件為突破口，成立專門研究團隊，開展典型器件制造技術研究，在不斷研究中提升核心部件原子尺度制造技術的成熟度。

 

三是支持國產(chǎn)化裝備應用。在微納系統(tǒng)建設、大科學裝置建設等過程中，支持國產(chǎn)化制造裝備、檢測儀器的推廣應用，拓展國產(chǎn)化加工、檢測技術的應用推廣范圍，促進國產(chǎn)化制造裝備與儀器水平的提升。建議對芯片熱管理等共性瓶頸問題開展基礎研究，促進原始創(chuàng)新。以國家重大微納系統(tǒng)需求為牽引，支持圍繞集成電路和光學器件系統(tǒng)建設亟待解決的高精度、高性能原子級制造基礎問題研究，開展超精密表面原子尺度制造基礎研究，提升我國原子級制造技術創(chuàng)新能力，為國家原子級加工制造提供理論和關鍵技術支撐。

 

 

來源丨2023-01-21 瞭望 2023年第4-5期