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

◇  超滑是近年來摩擦學(xué)領(lǐng)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(dá)到0.001量級或更小。超滑是摩擦學(xué)領(lǐng)域在人類文明史上的又一貢獻(xiàn)

 

文 |《瞭望》新聞周刊記者 扈永順

 

清華大學(xué)高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)械設(shè)備中的軸承。

　　我國是制造大國，機(jī)械裝備使用過程會產(chǎn)生摩擦，摩擦現(xiàn)象發(fā)生時(shí)往往伴隨磨損。摩擦、磨損會加大能源消耗，給設(shè)備、器件、材料帶來損失。黨的二十大報(bào)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(xué)領(lǐng)域的科研攻關(guān)，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(yùn)動摩擦能耗、提高精度、減少噪音、延長壽命是摩擦學(xué)界乃至材料學(xué)界的一大難題。近年來，我國在摩擦學(xué)領(lǐng)域取得了一系列重要突破。這些貢獻(xiàn)離不開一位在摩擦學(xué)領(lǐng)域潛心鉆研的科學(xué)家，他就是中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原主任雒建斌。

　　30多年來，雒建斌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不懈攻關(guān)，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(bǔ)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(jī)理，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)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(shù)難題。

　　“人們吃藥時(shí)會覺得很難咽下去，挺難受。我們將來要應(yīng)用超滑研究，給藥丸表面做一層潤滑膜，吞咽藥物時(shí)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(xué)。目前，雒建斌團(tuán)隊(duì)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(yīng)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(jié)緣摩擦學(xué)的？前期研究取得了哪些成果？

雒建斌：恢復(fù)高考第二年我考上了東北大學(xué)材料系，畢業(yè)后進(jìn)入西安電纜廠擔(dān)任技術(shù)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(yàn)，為控制銅絲氧化、降低銅絲溫度提出潤滑意見。從那時(shí)起，我就對摩擦學(xué)產(chǎn)生了濃厚興趣。

 

1985年我考入西安建筑科技大學(xué)冶金系讀碩士研究生，開始系統(tǒng)學(xué)習(xí)摩擦學(xué)知識。為更加專業(yè)地從事摩擦學(xué)研究，1991年，我考取清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系博士研究生，進(jìn)入摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，師從我國著名摩擦學(xué)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(shù)是當(dāng)時(shí)全新的國際前沿領(lǐng)域，他把研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的任務(wù)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(chǔ)，這一測量儀于1996年獲得國家發(fā)明獎三等獎。我們團(tuán)隊(duì)還在納米潤滑研究方面提出了填補(bǔ)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(xué)獎二等獎。

 

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

 

《瞭望》：為什么摩擦學(xué)研究如此重要？

雒建斌：機(jī)械摩擦、磨損與潤滑統(tǒng)稱為摩擦學(xué)，它是一個交叉學(xué)科，涉及機(jī)械、材料、物理、化學(xué)等學(xué)科。應(yīng)用面涉及工業(yè)母機(jī)、飛機(jī)、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(fèi)，同時(shí)帶來設(shè)備、器件、材料的損失。每個國家的GDP結(jié)構(gòu)不同，每年因此造成的財(cái)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(jī)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(fèi)巨大。解決此類問題，直接關(guān)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(lǐng)域，你帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得了哪些突破？

雒建斌：超滑是近年來摩擦學(xué)領(lǐng)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(dá)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(shù)，是摩擦學(xué)領(lǐng)域在人類文明史上的又一個重要貢獻(xiàn)。

 

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(xué)家Kapicha于1938年發(fā)現(xiàn)的，即氦在約零下271℃時(shí)，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?yàn)榻禍厮枰哪芰窟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般摩擦能耗。因此，如何在室溫甚至更高溫度下實(shí)現(xiàn)超滑成為人們追求的目標(biāo)。上世紀(jì)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(shí)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(shí)，也實(shí)現(xiàn)了超滑。

 

我們團(tuán)隊(duì)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?；?，我琢磨莼菜中的某些成分或許具有超滑效應(yīng)，我們便開展了莼菜的超滑性能研究；還有一次，團(tuán)隊(duì)成員抱著好奇心，把酸奶加到了實(shí)驗(yàn)超滑的機(jī)器上，沒想到屏幕上的摩擦系數(shù)曲線驟然降低。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)論證，酸奶實(shí)現(xiàn)的是“假超滑”。我們考慮如果找到酸奶中導(dǎo)致摩擦降低的關(guān)鍵因素，也許會對實(shí)現(xiàn)超滑有幫助。在反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，我們發(fā)現(xiàn)酸奶中起關(guān)鍵作用的是乳酸。受其啟發(fā)，我們嘗試用各種酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)使用磷酸溶液可以實(shí)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(tuán)隊(duì)相繼提出流體效應(yīng)超滑機(jī)制、雙電層超滑機(jī)制和固液耦合超滑機(jī)制，將超滑液體體系和適用的摩擦副材料大幅度擴(kuò)展。特別是我們提出的固液耦合超滑體系，將實(shí)現(xiàn)超滑時(shí)的接觸壓力提高了一個數(shù)量級，達(dá)到GPa（壓強(qiáng)單位）量級，為超滑走向?qū)嵱么蜷_了大門。在固體超滑方面，我們實(shí)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(shí)現(xiàn)超滑時(shí)的接觸壓力提升到3GPa以上，已開始走向應(yīng)用試驗(yàn)。2021年，我們提出超滑工程概念，將超滑技術(shù)應(yīng)用到具體工程中，如海洋裝備、交通工具、風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yù)計(jì)一旦超滑工程完全實(shí)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(dǎo)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(xiàn)。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(jì)算機(jī)硬盤磁頭制造公司（SAE）對接時(shí)，提出將納米金剛石顆粒用于磁頭表面拋光的理念，并率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)數(shù)月，將清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室研究和企業(yè)現(xiàn)場的試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)。

 

我們團(tuán)隊(duì)還將納米拋光技術(shù)逐步擴(kuò)展到硅晶圓拋光、化學(xué)機(jī)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(guān)鍵的一個指標(biāo)，多一個顆粒，就多一個廢品點(diǎn)，納米拋光技術(shù)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(xué)機(jī)械拋光（CMP）是半導(dǎo)體器件制造工藝中的一種技術(shù)，即使用化學(xué)腐蝕及機(jī)械力對加工過程中的硅晶圓或襯底材料進(jìn)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(xiàn)。

 

實(shí)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(xué)發(fā)展具有導(dǎo)向作用的前沿科學(xué)問題，其中一項(xiàng)即實(shí)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(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，而且是納米制造的共性基礎(chǔ)問題。當(dāng)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(jī)理的深刻認(rèn)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(guān)系，揭示材料微觀去除過程中的機(jī)械化學(xué)耦合作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)超精密表面的極限精度加工，有助于推動微/納機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程。

 

例如在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，如何實(shí)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(shí)現(xiàn)原子級材料可控去除。

 

為加快實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，在中國機(jī)械工程學(xué)會的組織下我們進(jìn)行了專題討論，形成了以下建議：

 

一是在立項(xiàng)方面。建議設(shè)置基礎(chǔ)和應(yīng)用研究型項(xiàng)目，涵蓋培育、重點(diǎn)和重大等項(xiàng)目，申報(bào)項(xiàng)目時(shí)需要跨學(xué)科跨專業(yè)申報(bào)，應(yīng)用研究型項(xiàng)目要有企業(yè)參與；項(xiàng)目結(jié)題要求有企業(yè)批量應(yīng)用。

 

建議國家相關(guān)部門出臺針對性的發(fā)展規(guī)劃，重點(diǎn)布局原子尺度下的理論研究立項(xiàng)，尤其是基于量子力學(xué)的材料特性相關(guān)理論方法研究。同時(shí)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(jī)理研究和現(xiàn)有高精度工藝方法的交叉融合。

 

建議設(shè)立面向界面原子尺度調(diào)控基礎(chǔ)研究、原子級制造技術(shù)開發(fā)、重大需求與經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)場工程應(yīng)用的集成攻關(guān)大平臺，集成多學(xué)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(jī)制、成形缺陷率控制方法等方面加強(qiáng)研究，為加工裝備提供基礎(chǔ)前沿技術(shù)支撐與共性關(guān)鍵技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)多場耦合的異質(zhì)材料局部以及全局的化學(xué)機(jī)械拋光，二維材料的可控納米結(jié)構(gòu)加工，超長精密測量光柵、波導(dǎo)顯示光柵、光學(xué)超表面透鏡等重大關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)元件的創(chuàng)新制造，打造從界面原子尺度調(diào)控機(jī)制、原創(chuàng)性原子級加工技術(shù)到納米元件工程應(yīng)用創(chuàng)新鏈。

 

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

 

三是支持國產(chǎn)化裝備應(yīng)用。在微納系統(tǒng)建設(shè)、大科學(xué)裝置建設(shè)等過程中，支持國產(chǎn)化制造裝備、檢測儀器的推廣應(yīng)用，拓展國產(chǎn)化加工、檢測技術(shù)的應(yīng)用推廣范圍，促進(jìn)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(chǔ)研究，促進(jìn)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(xué)器件系統(tǒng)建設(shè)亟待解決的高精度、高性能原子級制造基礎(chǔ)問題研究，開展超精密表面原子尺度制造基礎(chǔ)研究，提升我國原子級制造技術(shù)創(chuàng)新能力，為國家原子級加工制造提供理論和關(guān)鍵技術(shù)支撐。

 

 

來源丨2023-01-21 瞭望 2023年第4-5期