WS2和MoS2在润滑领域界面摩擦机理研究取得新进展

近日，清华大学机械系何永勇课题组在液体润滑领域界面摩擦机理研究方面取得新进展，系统地解释了石墨烯（C）和六方氮化硼（HBN）、二硫化钼（MoS2）和二硫化钨（WS2）界面摩擦和磨损性能的逆相关现象，幷提出了边界润滑膜与动压润滑膜的耦合模型。

研究发现，在相同实验条件下，脂相润滑状态的石墨烯和六方氮化硼的摩擦系数显著低于二硫化钼和二硫化钨，即抗摩擦性能更优越，但C和HBN对应的磨痕深度却显著大于MoS2和WS2，即抗磨损性能更差。这种奇怪的摩擦和磨损的逆相关特性，引发了研究人员进一步思考。

液体润滑界面的摩擦域主要有边界润滑膜和动压润滑膜组成，两种膜的耦合作用主导了界面的抗摩擦和抗磨损性能。研究发现，MoS2和WS2的边界润滑膜厚度大约为200-250nm；而C和HBN的边界润滑膜厚度大约为30-60纳米。尽管二硫化钼和二硫化钨的摩擦系数较高，但超高鲁棒性的边界润滑膜保证了其具有优越的抗磨损性能。在机械应力和摩擦热的诱导下，MoS2和WS2纳米片层在润滑界面发生摩擦化学反应，即硫原子与摩擦界面铁原子之间形成共价键，产生铁的硫化物和铁的硫酸盐，极大增强钨钼硫化物纳米片层在界面的粘附特性，由此增强摩擦界面边界润滑膜的鲁棒性。

在液体润滑状态下，界面的摩擦力主要来源于两方面，一是界面粗糙峰的接触（磨损），二是来源于润滑介质的内部剪切力（粘滞阻力）。研究发现，C和HBN的动压膜厚度显著小于MoS2和WS2。动压润滑膜流速随着膜厚降低而增大，于是石墨烯和六方氮化硼显著增强润滑脂的剪切稀化现象，其对应的动压润滑膜具有更低的粘度，有粘滞阻力产生的摩擦力更小。