徐芳芳

摩擦，無處不在。磨損，往往相伴而生。據(jù)統(tǒng)計，因為摩擦磨損的存在，全世界約30%的一次性能源被白白消耗，約有80%的機器零部件因磨損而失效，給全世界經(jīng)濟造成巨大損失。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)機械工程系教授、清華大學(xué)天津高端裝備研究院潤滑技術(shù)研究所所長張晨輝，從20世紀(jì)90年代起就開始從事摩擦學(xué)研究，和團隊一起在機械潤滑領(lǐng)域開展系統(tǒng)研究。20余年來，他和團隊一方面聚焦科學(xué)前沿，深入探尋潤滑機制與摩擦本質(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數(shù)量級，揭示了液體超滑機理，實現(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，助力我國超滑研究達到國際領(lǐng)先地位；另一方面，他們以國家需求和企業(yè)的實際應(yīng)用為導(dǎo)向，開發(fā)了二維MoS2、合成酯等多種減摩抗磨添加劑，應(yīng)用于切削液和潤滑油并實現(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，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益的多贏。

我國是能源消耗大國，在能源緊缺、環(huán)保降耗的背景下，時代呼喚更多減摩抗磨的成果和產(chǎn)品?！翱蒲谐晒罱K一定要落地”是張晨輝一直堅持的理念。讓科研成果更多更好地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，服務(wù)國家需求，正是他未來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，在國際上，有研究者提出“超滑”概念，將滑動摩擦系數(shù)為0.001量級甚至更小的狀態(tài)稱為超滑。通常來講，潤滑油的摩擦系數(shù)為0.01～0.1，而超滑的摩擦系數(shù)要比常用的潤滑油低一個數(shù)量級以上?？梢哉f，超滑使“近零摩擦”和“近零磨損”成為可能，一旦實現(xiàn)，將對社會生產(chǎn)產(chǎn)生巨大而深遠的影響。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。國際上許多學(xué)者通過各種方式試圖實現(xiàn)超滑。

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

之后，團隊不斷嘗試各種方法，以期實現(xiàn)超滑，但卻均以失敗告終。轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在2008年。團隊的博士生馬陟祚突發(fā)奇想將酸奶加入到試驗機中，測量酸奶的摩擦系數(shù)。1個小時后，一個令人驚奇的結(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)團隊，對酸奶中的各種成分進行分析測試。我也是那個時候開始加入到超滑的研究中。”張晨輝回憶。在此后的2個月時間里，團隊馬不停蹄地展開系列研究，白天做實驗，晚上分析數(shù)據(jù)，并制訂第二天的實驗方案。經(jīng)過兩個多月的奮戰(zhàn)，預(yù)期的實驗結(jié)果并沒有出現(xiàn)，摩擦系數(shù)忽高忽低，缺乏規(guī)律性。張晨輝和團隊十分困惑：到底是哪里出了問題？經(jīng)過認真排查，他們發(fā)現(xiàn)是因為實驗儀器的安裝誤差，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因為摩擦力本身很小，即使是0.1度的角度安裝誤差，也會導(dǎo)致200%的結(jié)果誤差。排除安裝誤差后，他們再次測量，發(fā)現(xiàn)酸奶的摩擦系數(shù)為0.06，并未達到超滑。這個結(jié)果如同一盆涼水，讓團隊成員感到非常沮喪。

科研無坦途，勇于直面挑戰(zhàn)才是科研的真諦。短暫的沮喪后，團隊重整旗鼓，繼續(xù)展開研究，向超滑發(fā)起了再一次的沖鋒。他們想到，雖然酸奶沒有實現(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，也許會對實現(xiàn)超滑有幫助。終于，在反復(fù)的實驗后，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行實驗，最終發(fā)現(xiàn)使用磷酸溶液可以實現(xiàn)摩擦系數(shù)為0.005以下的超滑狀態(tài)。經(jīng)過多次重復(fù)實驗和反復(fù)確認后，證實了超滑結(jié)果的可靠性。之后，他們進行了深入的研究，將這一超滑現(xiàn)象拓展為一個體系，并提出了“氫鍵網(wǎng)絡(luò)”模型的超滑機理。這在國際上尚屬首次發(fā)現(xiàn)。而且，實現(xiàn)超滑時的接觸壓力可達0.5GPa，是當(dāng)時已有報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一角。

然而，新的問題又出現(xiàn)了。在后續(xù)的實驗中，他們又發(fā)現(xiàn)了一些無法用“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，他們開發(fā)了多種設(shè)備對超滑狀態(tài)進行觀測。最終發(fā)現(xiàn)此前提出的“氫鍵網(wǎng)絡(luò)”模型并不準(zhǔn)確，超滑實際上是因為形成了彈性流體動壓潤滑（彈流潤滑）。

這個發(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?！耙驗閺椓鳚櫥悄Σ翆W(xué)中非常成熟的理論，如果真的是這樣，那可以說我們的研究沒有任何新意?！睆埑枯x解釋。在討論和分析后，他們認為：雖然形成了彈流潤滑，但兩個表面的間隙只有幾個納米，這時候一些微觀作用力，比如水合力和雙電層力，將變得比較顯著。如果想辦法增強這些微觀作用力，那么是否就可以在不依靠彈流潤滑的情況下實現(xiàn)超滑？按照這一構(gòu)想，他們繼續(xù)展開研究，設(shè)計了相關(guān)實驗，通過增加摩擦副表面的電荷密度，增強表面間的水合力和雙電層力，最終成功實現(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)計和開發(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理。

在此基礎(chǔ)上，團隊再接再厲，使用酸誘導(dǎo)摩擦副表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，在中性鹽溶液潤滑條件下實現(xiàn)了基于水合離子的超滑。這也是國際上首次在宏觀接觸和實驗條件下，利用水合離子實現(xiàn)液體超滑，使水基超滑的應(yīng)用成為可能。另外，對摩擦副使用酸溶液進行預(yù)跑合，再使用潤滑油潤滑，成功實現(xiàn)了油基超滑，并提出了油基超滑的實現(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)科研機構(gòu)，潤滑技術(shù)研究所應(yīng)運而生。自誕生之日起，潤滑所就以“應(yīng)用”為己任，致力于環(huán)保型高端金屬加工潤滑油/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。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)用到實際生產(chǎn)中去，是他一直以來的夙愿。

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”。作為集強度高、機械性能優(yōu)異、耐腐蝕性能好等優(yōu)點于一身的材料，鈦合金被大量應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機葉片和航天緊固件等重要零部件。鈦合金用量占飛機重量的百分比也成為衡量飛機先進程度的重要標(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，加之切削過程中機械沖擊力大，刀具損耗非常大，甚至?xí)斐杉庸け砻嫒毕輰?dǎo)致零件報廢。同時，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)會導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生腐蝕，影響零件使用性能。長期以來，鈦合金冷卻潤滑介質(zhì)被國外企業(yè)壟斷，價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，打破國外壟斷，張晨輝和團隊開始了鈦合金切削液的研制工作。作為高?？蒲腥藛T，科學(xué)探索是強項，而面向應(yīng)用開展攻關(guān)卻并不容易。盡管困難重重，為了破解困擾行業(yè)的難題，他們義無反顧。經(jīng)過反復(fù)實驗和大量研究，他們終于成功研發(fā)出對鈦合金加工具有良好潤滑性的加工液。

很快，張晨輝和團隊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。雖然在實驗室測試中加工液一直表現(xiàn)良好，但是在實際生產(chǎn)中，受到使用環(huán)境等因素的干擾，加工液會有怎樣的表現(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)，這款國產(chǎn)切削液不僅極大地延長了刀具的使用壽命，而且防銹緩蝕性優(yōu)異，能有效避免機臺腐蝕、保障工件的工序間防銹。同時，不易腐敗發(fā)臭，使用壽命長；對人體友好，不致敏。經(jīng)過綜合評估，使用單位認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。

做實驗

此外，張晨輝團隊還針對不同的應(yīng)用需求，開發(fā)了多種具有針對性的產(chǎn)品，在企業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了“四兩撥千斤”的作用。針對模具鋼的切削加工，他們開發(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使用。用戶反饋：加工液具有良好的潤滑、防銹、清洗、冷卻性能，不腐不臭，循環(huán)使用壽命長。而且加工后工件表面無殘留、無需清洗，縮減了后續(xù)清洗工序，極大提升了生產(chǎn)效率。同時，切削液使用量也比原切削液減少了40%。為提升傳統(tǒng)潤滑油潤滑效果，他們研制了有機鉬添加劑，在杭州杰亨新材料有限公司進行了應(yīng)用推廣。用戶反饋：將添加劑應(yīng)用于物流車的發(fā)動機潤滑油中，具有節(jié)省燃油、提高發(fā)動機效率、降低發(fā)動機噪音的效果。同時，將發(fā)動機潤滑油的換油周期由1萬公里提高到6萬公里。節(jié)約了物流公司的運營成本，具有較好的經(jīng)濟效益。

短短數(shù)年時間，在張晨輝和團隊的不懈奮斗下，潤滑所從無到有，擁有研發(fā)團隊10余人，其中高級職稱4人，已申請發(fā)明專利20余項，授權(quán)7項，已研發(fā)出加工液、潤滑油、添加劑等產(chǎn)品超過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年對于張晨輝來說，是個收獲的年份。國家杰出青年科學(xué)基金（以下簡稱“杰青基金”）、“科學(xué)探索獎”不約而至。十多年來，張晨輝始終堅持腳踏實地、扎扎實實地開展科學(xué)研究，在導(dǎo)師的指引下，在同事們的支持下，部分研究成果達國際領(lǐng)先水平，成果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣，在機械潤滑領(lǐng)域闖出了一片天地，已經(jīng)成為液體超滑方向和潤滑技術(shù)方向的學(xué)術(shù)帶頭人。獲得國家自然科學(xué)獎二等獎、國家科技進步獎二等獎和多項省部級獎勵。

團隊合影

這一切都顯得水到而渠成。其實，只有親身親歷者，才知道這個過程有多么的艱辛。好在，在這個過程中有溫詩鑄院士、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，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“不開竅”。導(dǎo)師雒建斌非常耐心地給他解惑。后來，又主動幫他聯(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)師從未來能源發(fā)展角度，高屋建瓴地指出水基潤滑將來肯定會大有用處，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。諸如此類的事情，不勝枚舉。至今，張晨輝依然歷歷在目，心存感激。團結(jié)、無私、提掖后輩是清華老一輩科學(xué)家的優(yōu)良傳統(tǒng)?，F(xiàn)在，作為機械系副主任、摩擦學(xué)國家重點實驗室常務(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理，重點開展大尺度液體超滑摩擦副材料的設(shè)計與實現(xiàn)、非水基液體超滑機理、固體超滑和液體超滑協(xié)同作用機理等研究，推動在高端裝備、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)對越來越嚴(yán)苛的環(huán)境挑戰(zhàn)，研發(fā)可降解環(huán)保切削液及其無害化處理方法；三是試驗“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滑液經(jīng)過周末而腐敗發(fā)臭的“星期一”難題；四是繼續(xù)推動既有產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

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