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作者：徐芳芳 发布时间：2020-12-15
导读： 清华大学机械工程系教授、清华大学天津高端装备研究院润滑技术研究所所长张晨辉，从20世纪90年代起就开始从事摩擦学研究，带领团队聚焦科学前沿，深入探寻润滑机制与摩擦本质，取得了一系列创新性科研成果，并将此应用于生产实践，服务国家需求。
摩擦，无处不在。磨损，往往相伴而生。据统计，因为摩擦磨损的存在，全世界约30%的一次性能源被白白消耗，约有80%的机器零部件因磨损而失效，给全世界经济造成巨大损失。减小摩擦，降低磨损，是摩擦学的基本任务，也是摩擦学研究者一直追求的目标。
清华大学机械工程系教授、清华大学天津高端装备研究院润滑技术研究所所长张晨辉，从20世纪90年代起就开始从事摩擦学研究，和团队一起在机械润滑领域开展系统研究。20余年来，他和团队一方面聚焦科学前沿，深入探寻润滑机制与摩擦本质，发现了新型液体超滑体系，承载压力较其他液体超滑体系提高一个数量级，揭示了液体超滑机理，实现宏观水合离子超滑和油基超滑，形成了较为完善的超滑研究体系，助力我国超滑研究达到国际领先地位；另一方面，他们以国家需求和企业的实际应用为导向，开发了二维MoS2、合成酯等多种减摩抗磨添加剂，应用于切削液和润滑油并实现了产业化推广，应用效果受到使用单位的广泛好评，实现了经济效益、社会效益、环境效益的多赢。
我国是能源消耗大国，在能源紧缺、环保降耗的背景下，时代呼唤更多减摩抗磨的成果和产品。“科研成果最终一定要落地”是张晨辉一直坚持的理念。让科研成果更多更好地应用于生产实践，服务国家需求，正是他未来科研道路的行路指南。
一波三折的“超滑”研究
20世纪90年代，在国际上，有研究者提出“超滑”概念，将滑动摩擦系数为0.001量级甚至更小的状态称为超滑。通常来讲，润滑油的摩擦系数为0.01～0.1，而超滑的摩擦系数要比常用的润滑油低一个数量级以上。可以说，超滑使“近零摩擦”和“近零磨损”成为可能，一旦实现，将对社会生产产生巨大而深远的影响。因而，超滑的概念一经提出，即成为摩擦学领域的研究热点。国际上许多学者通过各种方式试图实现超滑。
1998年，张晨辉师从雒建斌教授（2011年当选为中国科学院院士），开始摩擦学的学习、研究。雒建斌教授于1996年开始进行超滑研究，提出通过在两个表面注入同种电荷，在表面间产生静电斥力，从而实现超滑。然而，由于电荷分布的不均匀，两表面间不但没有产生斥力，反而产生了吸引力，未实现超滑。张晨辉当时并未参加这一研究，作为旁观者，第一次接触到超滑，他就对超滑产生了浓厚的兴趣。
之后，团队不断尝试各种方法，以期实现超滑，但却均以失败告终。转机出现在2008年。团队的博士生马陟祚突发奇想将酸奶加入到试验机中，测量酸奶的摩擦系数。1个小时后，一个令人惊奇的结果出现了：摩擦系数突然降低到0.003。
“这个发现令我们兴奋不已，于是在雒老师的带领下，我们马上组织攻关团队，对酸奶中的各种成分进行分析测试。我也是那个时候开始加入到超滑的研究中。”张晨辉回忆。在此后的2个月时间里，团队马不停蹄地展开系列研究，白天做实验，晚上分析数据，并制订第二天的实验方案。经过两个多月的奋战，预期的实验结果并没有出现，摩擦系数忽高忽低，缺乏规律性。张晨辉和团队十分困惑：到底是哪里出了问题？经过认真排查，他们发现是因为实验仪器的安装误差，导致测量结果不准确。因为摩擦力本身很小，即使是0.1度的角度安装误差，也会导致200%的结果误差。排除安装误差后，他们再次测量，发现酸奶的摩擦系数为0.06，并未达到超滑。这个结果如同一盆凉水，让团队成员感到非常沮丧。
科研无坦途，勇于直面挑战才是科研的真谛。短暂的沮丧后，团队重整旗鼓，继续展开研究，向超滑发起了再一次的冲锋。他们想到，虽然酸奶没有实现超滑，但还是能将摩擦系数降低到0.06，如果找到酸奶中导致摩擦降低的关键因素，也许会对实现超滑有帮助。终于，在反复的实验后，他们发现酸奶中起关键作用的是乳酸。受其启发，他们尝试用各种酸进行实验，最终发现使用磷酸溶液可以实现摩擦系数为0.005以下的超滑状态。经过多次重复实验和反复确认后，证实了超滑结果的可靠性。之后，他们进行了深入的研究，将这一超滑现象拓展为一个体系，并提出了“氢键网络”模型的超滑机理。这在国际上尚属首次发现。而且，实现超滑时的接触压力可达0.5GPa，是当时已有报道的液体超滑最大的接触压力，解决了水基超滑承载小的难题。超滑神秘的面纱被揭开一角。
然而，新的问题又出现了。在后续的实验中，他们又发现了一些无法用“氢键网络”模型解释的现象，比如超滑的速度依赖性。为了弄清楚原因，他们开发了多种设备对超滑状态进行观测。最终发现此前提出的“氢键网络”模型并不准确，超滑实际上是因为形成了弹性流体动压润滑（弹流润滑）。
这个发现再次让他们感到失望，研究工作再次陷入困局，给刚有起色的超滑研究，蒙上了一层阴影。“因为弹流润滑是摩擦学中非常成熟的理论，如果真的是这样，那可以说我们的研究没有任何新意。”张晨辉解释。在讨论和分析后，他们认为：虽然形成了弹流润滑，但两个表面的间隙只有几个纳米，这时候一些微观作用力，比如水合力和双电层力，将变得比较显著。如果想办法增强这些微观作用力，那么是否就可以在不依靠弹流润滑的情况下实现超滑？按照这一构想，他们继续展开研究，设计了相关实验，通过增加摩擦副表面的电荷密度，增强表面间的水合力和双电层力，最终成功实现了不依靠弹流作用的超滑。而且，根据这种方法，他们还设计和开发了新型的摩擦副材料，在水中具有很小的摩擦系数，可用于水润滑轴承和人工关节材料。至此，张晨辉和同事们终于建立起了完善的超滑理论，提出了流体效应、水合效应和双电层效应共同作用的水基液体超滑机理。
在此基础上，团队再接再厉，使用酸诱导摩擦副表面发生摩擦化学反应，在中性盐溶液润滑条件下实现了基于水合离子的超滑。这也是国际上首次在宏观接触和实验条件下，利用水合离子实现液体超滑，使水基超滑的应用成为可能。另外，对摩擦副使用酸溶液进行预跑合，再使用润滑油润滑，成功实现了油基超滑，并提出了油基超滑的实现区间图，为油基超滑的应用做了有益探索。
瞄准应用持续发力
2014年7月16日，清华大学天津高端装备研究院成立，其注重产学研资政协同创新，旨在打造高端制造领域新高地，在科技转化、产业孵化、技术服务和人才聚集等方面发挥作用。
作为下设科研机构，润滑技术研究所应运而生。自诞生之日起，润滑所就以“应用”为己任，致力于环保型高端金属加工润滑油/液研发及其产业化推广。40岁的张晨辉走马上任，任研究所所长。作为一名工科出身的科研人员，张晨辉始终把“应用”放在重要位置，让研究成果应用到实际生产中去，是他一直以来的夙愿。
钛合金切削，是他们瞄准的应用难题之一，也是让切削行业乃至航空航天行业头疼的“刺头”。作为集强度高、机械性能优异、耐腐蚀性能好等优点于一身的材料，钛合金被大量应用于飞机结构件、发动机叶片和航天紧固件等重要零部件。钛合金用量占飞机重量的百分比也成为衡量飞机先进程度的重要标志之一。然而，钛合金也因其难加工而闻名。其切削区温度高，加之切削过程中机械冲击力大，刀具损耗非常大，甚至会造成加工表面缺陷导致零件报废。同时，切削中的高温增加了材料化学活性，冷却液选择不当或质量控制失当会导致零件表面产生腐蚀，影响零件使用性能。长期以来，钛合金冷却润滑介质被国外企业垄断，价格高昂且不能完全满足钛合金高效加工的需求。
为了解决企业生产难题，打破国外垄断，张晨辉和团队开始了钛合金切削液的研制工作。作为高校科研人员，科学探索是强项，而面向应用开展攻关却并不容易。尽管困难重重，为了破解困扰行业的难题，他们义无反顾。经过反复实验和大量研究，他们终于成功研发出对钛合金加工具有良好润滑性的加工液。
很快，张晨辉和团队研制的钛合金加工液于2016年11月在航天精工（天津）制造有限公司投入使用。虽然在实验室测试中加工液一直表现良好，但是在实际生产中，受到使用环境等因素的干扰，加工液会有怎样的表现，张晨辉还是有些担心。在使用中，航天精工（天津）制造有限公司的技术人员发现，这款国产切削液不仅极大地延长了刀具的使用寿命，而且防锈缓蚀性优异，能有效避免机台腐蚀、保障工件的工序间防锈。同时，不易腐败发臭，使用寿命长；对人体友好，不致敏。经过综合评估，使用单位认为张晨辉等研制的切削液能够满足高精度加工需求，完全能够替代进口高端钛合金加工液产品。至此，张晨辉一颗悬着的心终于落了下来。
此外，张晨辉团队还针对不同的应用需求，开发了多种具有针对性的产品，在企业生产中发挥了“四两拨千斤”的作用。针对模具钢的切削加工，他们开发了全合成加工液，自2016年9月起被天津银宝山新科技有限公司采购使用。用户反馈：加工液具有良好的润滑、防锈、清洗、冷却性能，不腐不臭，循环使用寿命长。而且加工后工件表面无残留、无需清洗，缩减了后续清洗工序，极大提升了生产效率。同时，切削液使用量也比原切削液减少了40%。为提升传统润滑油润滑效果，他们研制了有机钼添加剂，在杭州杰亨新材料有限公司进行了应用推广。用户反馈：将添加剂应用于物流车的发动机润滑油中，具有节省燃油、提高发动机效率、降低发动机噪音的效果。同时，将发动机润滑油的换油周期由1万公里提高到6万公里。节约了物流公司的运营成本，具有较好的经济效益。
短短数年时间，在张晨辉和团队的不懈奋斗下，润滑所从无到有，拥有研发团队10余人，其中高级职称4人，已申请发明专利20余项，授权7项，已研发出加工液、润滑油、添加剂等产品超过30种，逐渐在高校科研成果转化和企业应用需求间架起了一座桥梁，并日益壮大。
初心不泯 求索不止
2019年对于张晨辉来说，是个收获的年份。国家杰出青年科学基金（以下简称“杰青基金”）、“科学探索奖”不约而至。十多年来，张晨辉始终坚持脚踏实地、扎扎实实地开展科学研究，在导师的指引下，在同事们的支持下，部分研究成果达国际领先水平，成果实现产业化推广，在机械润滑领域闯出了一片天地，已经成为液体超滑方向和润滑技术方向的学术带头人。获得国家自然科学奖二等奖、国家科技进步奖二等奖和多项省部级奖励。
这一切都显得水到而渠成。其实，只有亲身亲历者，才知道这个过程有多么的艰辛。好在，在这个过程中有温诗铸院士、王玉明院士、雒建斌院士等老一辈科学家的殷殷教诲和提携。读博时，张晨辉曾特别苦闷，闷头做了很多工作，但就是不出成果，有点“不开窍”。导师雒建斌非常耐心地给他解惑。后来，又主动帮他联系了香港城市大学的交换生。这次的经历，让他打开了视野，也很快出了成果。起初，张晨辉的研究方向是表面涂层技术，导师从未来能源发展角度，高屋建瓴地指出水基润滑将来肯定会大有用处，潜力巨大，建议他调整研究方向。刚参加工作后不久，导师雒建斌经常抽出时间与他谈话沟通，告诫他人生的道理，指引他今后的研究道路。诸如此类的事情，不胜枚举。至今，张晨辉依然历历在目，心存感激。团结、无私、提掖后辈是清华老一辈科学家的优良传统。现在，作为机械系副主任、摩擦学国家重点实验室常务副主任的张晨辉也在践行着这一传统，培养提携年轻一代摩擦学研究者。
现在，张晨辉更加忙碌了。他要忙的，一是基于液体超滑机理，重点开展大尺度液体超滑摩擦副材料的设计与实现、非水基液体超滑机理、固体超滑和液体超滑协同作用机理等研究，推动在高端装备、生物医疗等领域可应用的超滑技术的发展；二是为应对越来越严苛的环境挑战，研发可降解环保切削液及其无害化处理方法；三是试验“新想法”，创造性地引入生物学理论，以期解决工厂面临的润滑液经过周末而腐败发臭的“星期一”难题；四是继续推动既有产品的产业化应用。
如果说此前张晨辉更多的是解决“为什么”问题，那么现在，则是要投入更大的精力解决“怎么办”的问题。而这也正是国家急需的。科
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