Nature：来自润滑油的碳基摩擦膜

每年，交通工具要消耗世界上19%的能源，排放的温室气体占总量的23%。随着运输需要的进一步提高，这项数据无疑将继续激增，给可持续交通带来更多挑战。目前，对车辆高效率的追求和新出台的排放标准是驱动清洁、省油润滑油的主要力量。科学家们做出了大量的研究以降低润滑油粘度，并探索取代二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)和其他含硫酸化灰分、磷和硫(SAPS)的添加剂的新方式，寻求环境友好型的润滑油代替物，如无机纳米粒子、离子液体及涂层。人们希望进一步减少使用排放有害物质的添加剂，但与此同时还要确保摩擦和磨损性能不受影响。

今天，月亮会给大家介绍一种新设计合成的纳米催化活性薄膜，这是一种由过渡金属（如钼、钒）氮化物和金属铜作为催化剂生成的薄膜，以下将以MoN x –Cu涂层为例进行介绍。

图1 MoN x –Cu纳米复合物涂层结构

a. 聚离子事MoN x –Cu试样横向TEM图，涂层压紧厚度约600 nm。钢材上方又薄又黑的片层为涂层与基底层（厚60nm ）之间的钼粘合层，涂层之上的片层为需要离子束加工的铂保护层。

b. 顶层表面局部高分辨率TEM图像，图示MoN x –Cu薄膜晶粒尺寸不足10 nm。插图为多晶结构衍射图谱。δ -MoN x为六方结构，γ -MoN x则为立方结构。

c. 薄膜Cu–K、Mo–K边缘EDS元素映射图像，证实了铜团簇的存在，灰色图像为STEM图像。

图2 有MoN x –Cu涂层和PAO 10润滑油钢球的摩擦磨损行为，及与未加涂层但有PAO 10润滑油和涂有5W30润滑油试样的对比

a. 摩擦系数对比;

b. 橡胶球顶层表面显微照片，显示出3项测试的不同结果;

c. 下图为曲线图及3D图像，更清晰地显示出磨损状况。MoN x –Cu涂层的钢球磨损状况未能测定，涂有PAO 10润滑油的钢球磨损最为严重，10小时的测试后上部已磨平，显示出抛光磨痕。涂有5W30润滑油的钢球磨损状况较较涂有PAO 10润滑油的钢球好。

图3 涂有PAO 10润滑油，有涂层和没有涂层钢球产生摩擦的拉曼光谱

a. 黑色碎片区域，即MoN x –Cu 涂层钢球磨痕边缘的UV拉曼(325 nm)光谱；磁控溅射产生的固态、类金刚石薄膜(DLC)；热解石墨（仅用作参照）。D、G带的积炭情况与参照石墨位置相近；G密度的峰值及峰值宽度定性地说明积炭为无定型碳。

b. 52100钢试样灰色碎片磨痕附近的可见拉曼光谱，与Fe 2 O 3（仅作参照）粉末光谱类似，有多个拉曼光谱带相互对应。

图4 TEM试样制备与测试结果

a. MoN x –Cu涂层钢球磨痕区域SEM图像；红色箭头所指为富碳碎片

b. 使用钨探针聚集离子束聚集的富碳碎片

c. 高清碎片边缘图像，阴影区域为纳米晶体和多层碳；电子衍射证实了摩擦膜的无定形性质

图5 MoN x –Cu摩擦膜微观形成机制

a-c AIMD表明了铜的催化作用，脱氢并将线性烯烃分解为短链烃;

d-f 根据活性分子动力学模拟预测的类似反应通路。最终结果是脱氢短链烃重新形核成为坚实的无定形碳摩擦膜。模拟表明摩擦膜机制在表面受到抑制，形成碳化物;

g,h 活性分子动力学模拟的图像表明，两个形成碳化物的表面没有形成摩擦膜。虽然滑动的钼表层没有显示出烯降解倾向，温度为1,000 K时的催化反应缓慢，摩擦膜形成缓慢。摩擦膜的EELS光谱图像与高取向热解石墨图像对比，表明薄膜主要成分为石墨碳;

综上，目前已催化活性涂层能够使润滑油形成固态摩擦腊，保护滑动表面，防止其摩擦和磨损。上述理念能够适用于重新设计体材料，将其与催化金属结合，形成类似的碳基摩擦膜。

文献链接：Carbon-based tribofilms from lubricating oils（Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature18948)

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