徐芳芳

摩擦，無(wú)處不在。磨損，往往相伴而生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因?yàn)槟Σ聊p的存在，全世界約30%的一次性能源被白白消耗，約有80%的機(jī)器零部件因磨損而失效，給全世界經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。減小摩擦，降低磨損，是摩擦學(xué)的基本任務(wù)，也是摩擦學(xué)研究者一直追求的目標(biāo)。

清華大學(xué)機(jī)械工程系教授、清華大學(xué)天津高端裝備研究院潤(rùn)滑技術(shù)研究所所長(zhǎng)張晨輝，從20世紀(jì)90年代起就開(kāi)始從事摩擦學(xué)研究，和團(tuán)隊(duì)一起在機(jī)械潤(rùn)滑領(lǐng)域開(kāi)展系統(tǒng)研究。20余年來(lái)，他和團(tuán)隊(duì)一方面聚焦科學(xué)前沿，深入探尋潤(rùn)滑機(jī)制與摩擦本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了新型液體超滑體系，承載壓力較其他液體超滑體系提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，揭示了液體超滑機(jī)理，實(shí)現(xiàn)宏觀水合離子超滑和油基超滑，形成了較為完善的超滑研究體系，助力我國(guó)超滑研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先地位；另一方面，他們以國(guó)家需求和企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，開(kāi)發(fā)了二維MoS2、合成酯等多種減摩抗磨添加劑，應(yīng)用于切削液和潤(rùn)滑油并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化推廣，應(yīng)用效果受到使用單位的廣泛好評(píng)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益的多贏。

我國(guó)是能源消耗大國(guó)，在能源緊缺、環(huán)保降耗的背景下，時(shí)代呼喚更多減摩抗磨的成果和產(chǎn)品。“科研成果最終一定要落地”是張晨輝一直堅(jiān)持的理念。讓科研成果更多更好地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，服務(wù)國(guó)家需求，正是他未來(lái)科研道路的行路指南。

一波三折的“超滑”研究

20世紀(jì)90年代，在國(guó)際上，有研究者提出“超滑”概念，將滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.001量級(jí)甚至更小的狀態(tài)稱為超滑。通常來(lái)講，潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)為0.01～0.1，而超滑的摩擦系數(shù)要比常用的潤(rùn)滑油低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。可以說(shuō)，超滑使“近零摩擦”和“近零磨損”成為可能，一旦實(shí)現(xiàn)，將對(duì)社會(huì)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。因而，超滑的概念一經(jīng)提出，即成為摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)際上許多學(xué)者通過(guò)各種方式試圖實(shí)現(xiàn)超滑。

1998年，張晨輝師從雒建斌教授（2011年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士），開(kāi)始摩擦學(xué)的學(xué)習(xí)、研究。雒建斌教授于1996年開(kāi)始進(jìn)行超滑研究，提出通過(guò)在兩個(gè)表面注入同種電荷，在表面間產(chǎn)生靜電斥力，從而實(shí)現(xiàn)超滑。然而，由于電荷分布的不均勻，兩表面間不但沒(méi)有產(chǎn)生斥力，反而產(chǎn)生了吸引力，未實(shí)現(xiàn)超滑。張晨輝當(dāng)時(shí)并未參加這一研究，作為旁觀者，第一次接觸到超滑，他就對(duì)超滑產(chǎn)生了濃厚的興趣。

之后，團(tuán)隊(duì)不斷嘗試各種方法，以期實(shí)現(xiàn)超滑，但卻均以失敗告終。轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2008年。團(tuán)隊(duì)的博士生馬陟祚突發(fā)奇想將酸奶加入到試驗(yàn)機(jī)中，測(cè)量酸奶的摩擦系數(shù)。1個(gè)小時(shí)后，一個(gè)令人驚奇的結(jié)果出現(xiàn)了：摩擦系數(shù)突然降低到0.003。

與學(xué)生合影

“這個(gè)發(fā)現(xiàn)令我們興奮不已，于是在雒老師的帶領(lǐng)下，我們馬上組織攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，對(duì)酸奶中的各種成分進(jìn)行分析測(cè)試。我也是那個(gè)時(shí)候開(kāi)始加入到超滑的研究中?！睆埑枯x回憶。在此后的2個(gè)月時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)馬不停蹄地展開(kāi)系列研究，白天做實(shí)驗(yàn)，晚上分析數(shù)據(jù)，并制訂第二天的實(shí)驗(yàn)方案。經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的奮戰(zhàn)，預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒(méi)有出現(xiàn)，摩擦系數(shù)忽高忽低，缺乏規(guī)律性。張晨輝和團(tuán)隊(duì)十分困惑：到底是哪里出了問(wèn)題？經(jīng)過(guò)認(rèn)真排查，他們發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器的安裝誤差，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因?yàn)槟Σ亮Ρ旧砗苄。词故?.1度的角度安裝誤差，也會(huì)導(dǎo)致200%的結(jié)果誤差。排除安裝誤差后，他們?cè)俅螠y(cè)量，發(fā)現(xiàn)酸奶的摩擦系數(shù)為0.06，并未達(dá)到超滑。這個(gè)結(jié)果如同一盆涼水，讓團(tuán)隊(duì)成員感到非常沮喪。

科研無(wú)坦途，勇于直面挑戰(zhàn)才是科研的真諦。短暫的沮喪后，團(tuán)隊(duì)重整旗鼓，繼續(xù)展開(kāi)研究，向超滑發(fā)起了再一次的沖鋒。他們想到，雖然酸奶沒(méi)有實(shí)現(xiàn)超滑，但還是能將摩擦系數(shù)降低到0.06，如果找到酸奶中導(dǎo)致摩擦降低的關(guān)鍵因素，也許會(huì)對(duì)實(shí)現(xiàn)超滑有幫助。終于，在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)后，他們發(fā)現(xiàn)酸奶中起關(guān)鍵作用的是乳酸。受其啟發(fā)，他們嘗試用各種酸進(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)。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)和反復(fù)確認(rèn)后，證實(shí)了超滑結(jié)果的可靠性。之后，他們進(jìn)行了深入的研究，將這一超滑現(xiàn)象拓展為一個(gè)體系，并提出了“氫鍵網(wǎng)絡(luò)”模型的超滑機(jī)理。這在國(guó)際上尚屬首次發(fā)現(xiàn)。而且，實(shí)現(xiàn)超滑時(shí)的接觸壓力可達(dá)0.5GPa，是當(dāng)時(shí)已有報(bào)道的液體超滑最大的接觸壓力，解決了水基超滑承載小的難題。超滑神秘的面紗被揭開(kāi)一角。

然而，新的問(wèn)題又出現(xiàn)了。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，他們又發(fā)現(xiàn)了一些無(wú)法用“氫鍵網(wǎng)絡(luò)”模型解釋的現(xiàn)象，比如超滑的速度依賴性。為了弄清楚原因，他們開(kāi)發(fā)了多種設(shè)備對(duì)超滑狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。最終發(fā)現(xiàn)此前提出的“氫鍵網(wǎng)絡(luò)”模型并不準(zhǔn)確，超滑實(shí)際上是因?yàn)樾纬闪藦椥粤黧w動(dòng)壓潤(rùn)滑（彈流潤(rùn)滑）。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)再次讓他們感到失望，研究工作再次陷入困局，給剛有起色的超滑研究，蒙上了一層陰影?！耙?yàn)閺椓鳚?rùn)滑是摩擦學(xué)中非常成熟的理論，如果真的是這樣，那可以說(shuō)我們的研究沒(méi)有任何新意。”張晨輝解釋。在討論和分析后，他們認(rèn)為：雖然形成了彈流潤(rùn)滑，但兩個(gè)表面的間隙只有幾個(gè)納米，這時(shí)候一些微觀作用力，比如水合力和雙電層力，將變得比較顯著。如果想辦法增強(qiáng)這些微觀作用力，那么是否就可以在不依靠彈流潤(rùn)滑的情況下實(shí)現(xiàn)超滑？按照這一構(gòu)想，他們繼續(xù)展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)增加摩擦副表面的電荷密度，增強(qiáng)表面間的水合力和雙電層力，最終成功實(shí)現(xiàn)了不依靠彈流作用的超滑。而且，根據(jù)這種方法，他們還設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了新型的摩擦副材料，在水中具有很小的摩擦系數(shù)，可用于水潤(rùn)滑軸承和人工關(guān)節(jié)材料。至此，張晨輝和同事們終于建立起了完善的超滑理論，提出了流體效應(yīng)、水合效應(yīng)和雙電層效應(yīng)共同作用的水基液體超滑機(jī)理。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)再接再厲，使用酸誘導(dǎo)摩擦副表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，在中性鹽溶液潤(rùn)滑條件下實(shí)現(xiàn)了基于水合離子的超滑。這也是國(guó)際上首次在宏觀接觸和實(shí)驗(yàn)條件下，利用水合離子實(shí)現(xiàn)液體超滑，使水基超滑的應(yīng)用成為可能。另外，對(duì)摩擦副使用酸溶液進(jìn)行預(yù)跑合，再使用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，成功實(shí)現(xiàn)了油基超滑，并提出了油基超滑的實(shí)現(xiàn)區(qū)間圖，為油基超滑的應(yīng)用做了有益探索。

瞄準(zhǔn)應(yīng)用持續(xù)發(fā)力

2014年7月16日，清華大學(xué)天津高端裝備研究院成立，其注重產(chǎn)學(xué)研資政協(xié)同創(chuàng)新，旨在打造高端制造領(lǐng)域新高地，在科技轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)孵化、技術(shù)服務(wù)和人才聚集等方面發(fā)揮作用。

作為下設(shè)科研機(jī)構(gòu)，潤(rùn)滑技術(shù)研究所應(yīng)運(yùn)而生。自誕生之日起，潤(rùn)滑所就以“應(yīng)用”為己任，致力于環(huán)保型高端金屬加工潤(rùn)滑油/液研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化推廣。40歲的張晨輝走馬上任，任研究所所長(zhǎng)。作為一名工科出身的科研人員，張晨輝始終把“應(yīng)用”放在重要位置，讓研究成果應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中去，是他一直以來(lái)的夙愿。

鈦合金切削，是他們瞄準(zhǔn)的應(yīng)用難題之一，也是讓切削行業(yè)乃至航空航天行業(yè)頭疼的“刺頭”。作為集強(qiáng)度高、機(jī)械性能優(yōu)異、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)于一身的材料，鈦合金被大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和航天緊固件等重要零部件。鈦合金用量占飛機(jī)重量的百分比也成為衡量飛機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。然而，鈦合金也因其難加工而聞名。其切削區(qū)溫度高，加之切削過(guò)程中機(jī)械沖擊力大，刀具損耗非常大，甚至?xí)斐杉庸け砻嫒毕輰?dǎo)致零件報(bào)廢。同時(shí)，切削中的高溫增加了材料化學(xué)活性，冷卻液選擇不當(dāng)或質(zhì)量控制失當(dāng)會(huì)導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生腐蝕，影響零件使用性能。長(zhǎng)期以來(lái)，鈦合金冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)被國(guó)外企業(yè)壟斷，價(jià)格高昂且不能完全滿足鈦合金高效加工的需求。

為了解決企業(yè)生產(chǎn)難題，打破國(guó)外壟斷，張晨輝和團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了鈦合金切削液的研制工作。作為高?？蒲腥藛T，科學(xué)探索是強(qiáng)項(xiàng)，而面向應(yīng)用開(kāi)展攻關(guān)卻并不容易。盡管困難重重，為了破解困擾行業(yè)的難題，他們義無(wú)反顧。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和大量研究，他們終于成功研發(fā)出對(duì)鈦合金加工具有良好潤(rùn)滑性的加工液。

很快，張晨輝和團(tuán)隊(duì)研制的鈦合金加工液于2016年11月在航天精工（天津）制造有限公司投入使用。雖然在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中加工液一直表現(xiàn)良好，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，受到使用環(huán)境等因素的干擾，加工液會(huì)有怎樣的表現(xiàn)，張晨輝還是有些擔(dān)心。在使用中，航天精工（天津）制造有限公司的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，這款國(guó)產(chǎn)切削液不僅極大地延長(zhǎng)了刀具的使用壽命，而且防銹緩蝕性優(yōu)異，能有效避免機(jī)臺(tái)腐蝕、保障工件的工序間防銹。同時(shí)，不易腐敗發(fā)臭，使用壽命長(zhǎng)；對(duì)人體友好，不致敏。經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估，使用單位認(rèn)為張晨輝等研制的切削液能夠滿足高精度加工需求，完全能夠替代進(jìn)口高端鈦合金加工液產(chǎn)品。至此，張晨輝一顆懸著的心終于落了下來(lái)。

做實(shí)驗(yàn)

此外，張晨輝團(tuán)隊(duì)還針對(duì)不同的應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)了多種具有針對(duì)性的產(chǎn)品，在企業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了“四兩撥千斤”的作用。針對(duì)模具鋼的切削加工，他們開(kāi)發(fā)了全合成加工液，自2016年9月起被天津銀寶山新科技有限公司采購(gòu)使用。用戶反饋：加工液具有良好的潤(rùn)滑、防銹、清洗、冷卻性能，不腐不臭，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。而且加工后工件表面無(wú)殘留、無(wú)需清洗，縮減了后續(xù)清洗工序，極大提升了生產(chǎn)效率。同時(shí)，切削液使用量也比原切削液減少了40%。為提升傳統(tǒng)潤(rùn)滑油潤(rùn)滑效果，他們研制了有機(jī)鉬添加劑，在杭州杰亨新材料有限公司進(jìn)行了應(yīng)用推廣。用戶反饋：將添加劑應(yīng)用于物流車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中，具有節(jié)省燃油、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的效果。同時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的換油周期由1萬(wàn)公里提高到6萬(wàn)公里。節(jié)約了物流公司的運(yùn)營(yíng)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

短短數(shù)年時(shí)間，在張晨輝和團(tuán)隊(duì)的不懈奮斗下，潤(rùn)滑所從無(wú)到有，擁有研發(fā)團(tuán)隊(duì)10余人，其中高級(jí)職稱4人，已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)，授權(quán)7項(xiàng)，已研發(fā)出加工液、潤(rùn)滑油、添加劑等產(chǎn)品超過(guò)30種，逐漸在高?？蒲谐晒D(zhuǎn)化和企業(yè)應(yīng)用需求間架起了一座橋梁，并日益壯大。

初心不泯 求索不止

2019年對(duì)于張晨輝來(lái)說(shuō)，是個(gè)收獲的年份。國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（以下簡(jiǎn)稱“杰青基金”）、“科學(xué)探索獎(jiǎng)”不約而至。十多年來(lái)，張晨輝始終堅(jiān)持腳踏實(shí)地、扎扎實(shí)實(shí)地開(kāi)展科學(xué)研究，在導(dǎo)師的指引下，在同事們的支持下，部分研究成果達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平，成果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣，在機(jī)械潤(rùn)滑領(lǐng)域闖出了一片天地，已經(jīng)成為液體超滑方向和潤(rùn)滑技術(shù)方向的學(xué)術(shù)帶頭人。獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和多項(xiàng)省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。

團(tuán)隊(duì)合影

這一切都顯得水到而渠成。其實(shí)，只有親身親歷者，才知道這個(gè)過(guò)程有多么的艱辛。好在，在這個(gè)過(guò)程中有溫詩(shī)鑄院士、王玉明院士、雒建斌院士等老一輩科學(xué)家的殷殷教誨和提攜。讀博時(shí)，張晨輝曾特別苦悶，悶頭做了很多工作，但就是不出成果，有點(diǎn)“不開(kāi)竅”。導(dǎo)師雒建斌非常耐心地給他解惑。后來(lái)，又主動(dòng)幫他聯(lián)系了香港城市大學(xué)的交換生。這次的經(jīng)歷，讓他打開(kāi)了視野，也很快出了成果。起初，張晨輝的研究方向是表面涂層技術(shù)，導(dǎo)師從未來(lái)能源發(fā)展角度，高屋建瓴地指出水基潤(rùn)滑將來(lái)肯定會(huì)大有用處，潛力巨大，建議他調(diào)整研究方向。剛參加工作后不久，導(dǎo)師雒建斌經(jīng)常抽出時(shí)間與他談話溝通，告誡他人生的道理，指引他今后的研究道路。諸如此類(lèi)的事情，不勝枚舉。至今，張晨輝依然歷歷在目，心存感激。團(tuán)結(jié)、無(wú)私、提掖后輩是清華老一輩科學(xué)家的優(yōu)良傳統(tǒng)?，F(xiàn)在，作為機(jī)械系副主任、摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任的張晨輝也在踐行著這一傳統(tǒng)，培養(yǎng)提攜年輕一代摩擦學(xué)研究者。

現(xiàn)在，張晨輝更加忙碌了。他要忙的，一是基于液體超滑機(jī)理，重點(diǎn)開(kāi)展大尺度液體超滑摩擦副材料的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、非水基液體超滑機(jī)理、固體超滑和液體超滑協(xié)同作用機(jī)理等研究，推動(dòng)在高端裝備、生物醫(yī)療等領(lǐng)域可應(yīng)用的超滑技術(shù)的發(fā)展；二是為應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)苛的環(huán)境挑戰(zhàn)，研發(fā)可降解環(huán)保切削液及其無(wú)害化處理方法；三是試驗(yàn)“新想法”，創(chuàng)造性地引入生物學(xué)理論，以期解決工廠面臨的潤(rùn)滑液經(jīng)過(guò)周末而腐敗發(fā)臭的“星期一”難題；四是繼續(xù)推動(dòng)既有產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

如果說(shuō)此前張晨輝更多的是解決“為什么”問(wèn)題，那么現(xiàn)在，則是要投入更大的精力解決“怎么辦”的問(wèn)題。而這也正是國(guó)家急需的。