盖世汽车讯 据外媒报道，美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科学家们发明出新涂层，可以显著减少普通承重系统与运动部件的摩擦，包括汽车传动系统和风力和水力涡轮机。该涂层至少可将钢材与钢材的摩擦力降低一百倍。新ORNL涂层可以帮助美国减少每年因摩擦和磨损而损失的1万多亿美元，相当于美国国民生产总值的5%。

图片来源：ORNL

ORNL表面工程和摩擦学小组负责人Jun Qu表示：“当部件相互滑动时就会产生摩擦和磨损。减少摩擦就可以减少能源消耗。而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。”

通过与ORNL的同事Chanaka Kumara和Michael Lance合作，该研究的负责人Qu已将相关内容发表于期刊《Materials Today Nano》。该研究涉及一种由碳纳米管组成的涂层，且该涂层赋予滑动部件超润滑性。超润滑性指的是几乎没有滑动阻力，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涂层可将摩擦系数降低到远低于超润滑性的临界值，低至0.001。

Qu表示：“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。以前只有在纳米级或专业环境中才能看到这一润滑性。”

在这项研究中，Kumara在钢板上添加碳纳米管，并和Qu用一种叫做摩擦计的机器使板相互摩擦以产生碳纳米管薄片。

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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，其中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。来自薄片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。Kumara表示：“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还通过加热不锈钢圆盘，在表面形成金属氧化物颗粒。然后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。

新的纳米管在损坏之前不会提供超润滑性。Qu表示：“碳纳米管在摩擦中被破坏，但会形成新的材质。关键部分是那些断裂的碳纳米管是石墨烯碎片。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，在这个过程中涂层会形成。然后两个接触面都被一些富含石墨烯的涂层覆盖。届时，当它们相互摩擦时，就是石墨烯与石墨烯的碰撞。”

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即使是一滴油的存在对于实现超润滑性也至关重要。Qu表示：“我们在没有油的情况下尝试过，结果发现效果欠佳。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长期存在。就像没有机油的发动机，会在几分钟内冒烟，而有油的可以轻松运行数年。”

ORNL涂层出色的滑爽性具有持久力。其超润滑性在超过500,000次摩擦循环的测试中持续存在。Kumara表示：“在经过3小时、1天和12天的连续滑动性能的测试，我们仍然获得了超润滑性，这证明该涂层非常稳定。”

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Kumara使用电子显微镜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合著者Lance使用了拉曼光谱（Raman spectroscopy），即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。

Qu表示：“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。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。”