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制造强国的超滑贡献——专访中国科学院院士雒建斌

2023-01-30 | 扈永顺 | 来源 《瞭望》新闻周刊2023年第4-5期  |

做科研是我为国家作贡献的最好方式,也是无上光荣。要让中国人在摩擦学领域中做到最好,我们还需要更加努力。

超滑是近年来摩擦学领域发展最快的方向之一。润滑油的摩擦系数为0.010.1,而超滑的摩擦系数要比润滑油低一个数量级以上,达到0.001量级或更小。超滑是摩擦学领域在人类文明史上的又一贡献

中国科学院院士雒建斌

摩擦在生活中随处可见。有的用途需要增大摩擦力,例如汽车的刹车片;有的用途则需要减小摩擦力,例如机械设备中的轴承。

我国是制造大国,机械装备使用过程会产生摩擦,摩擦现象发生时往往伴随磨损。摩擦、磨损会加大能源消耗,给设备、器件、材料带来损失。党的二十大报告提出,推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。通过摩擦学领域的科研攻关,降低摩擦系数,可以有效减少磨损,是推动制造业高端化、绿色化发展的重要途径之一。

降低运动摩擦能耗、提高精度、减少噪音、延长寿命是摩擦学界乃至材料学界的一大难题。近年来,我国在摩擦学领域取得了一系列重要突破。这些贡献离不开一位在摩擦学领域潜心钻研的科学家,他就是中国科学院院士、清华大学摩擦学国家重点实验室原主任雒建斌。

30多年来,雒建斌带领团队不懈攻关,研制了新型纳米级润滑膜厚度测量仪。在国际上首次提出薄膜润滑状态概念,填补了弹性流体动压润滑与边界润滑之间的理论空白。发现了新的超滑体系和超滑机理,在工业应用领域大胆探索超滑和抛光问题,为工业发展解决了一系列技术难题。

“人们吃药时会觉得很难咽下去,挺难受。我们将来要应用超滑研究,给药丸表面做一层润滑膜,吞咽药物时就会很顺利。”雒建斌用这种生活中的小例子来讲解高深的科学。目前,雒建斌团队在超滑研究方面已经走到了全球最前列,推动了超滑走向工业应用。

近日,《瞭望》新闻周刊记者专访雒建斌院士,看如何通过超级润滑助力制造业绿色发展。

清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室(2020 年摄)受访者供图

解决摩擦问题助力绿色发展

《瞭望》:你是如何结缘摩擦学的?前期研究取得了哪些成果?

雒建斌:恢复高考第二年我考上了东北大学材料系,毕业后进入西安电缆厂担任技术员。制作电缆的一道工艺叫拉拔铜丝,夏天拉的铜丝容易氧化变色,成为废品。我和同事一起演算试验,为控制铜丝氧化、降低铜丝温度提出润滑意见。从那时起,我就对摩擦学产生了浓厚兴趣。

1985年我考入西安建筑科技大学冶金系读硕士研究生,开始系统学习摩擦学知识。为更加专业地从事摩擦学研究,1991年,我考取清华大学精密仪器与机械学系博士研究生,进入摩擦学国家重点实验室,师从我国著名摩擦学专家温诗铸院士。后来,温诗铸院士到国外考察,得知纳米级润滑膜测试技术是当时全新的国际前沿领域,他把研发这项技术的任务交给了我。

我们摸着石头过河,最终研制出了纳米级薄膜厚度测量仪,为后续的薄膜润滑理论研究奠定了基础,这一测量仪于1996年获得国家发明奖三等奖。我们团队还在纳米润滑研究方面提出了填补弹性流体动压润滑与边界润滑之间空白的新型润滑状态——薄膜润滑,并于2001年获得国家自然科学奖二等奖。

做科研是我为国家作贡献的最好方式,也是无上光荣。要让中国人在摩擦学领域中做到最好,我们还需要更加努力。

《瞭望》:为什么摩擦学研究如此重要?

雒建斌:机械摩擦、磨损与润滑统称为摩擦学,它是一个交叉学科,涉及机械、材料、物理、化学等学科。应用面涉及工业母机、飞机、车辆等。

摩擦、磨损消耗了全球一次性能源30%左右,造成巨大的能源浪费,同时带来设备、器件、材料的损失。每个国家的GDP结构不同,每年因此造成的财产损失与GDP的占比也不相同,一般在2%7%

我国是制造大国,但机械装备使用寿命较短、低端高耗能装备较多,每年因摩擦、磨损造成的浪费巨大。解决此类问题,直接关系国家乃至全球的绿色发展之道。

超滑将摩擦系数无限接近零

《瞭望》:在超滑领域,你带领团队取得了哪些突破?

雒建斌:超滑是近年来摩擦学领域发展最快的方向之一。润滑油的摩擦系数为0.010.1,而超滑的摩擦系数要比润滑油低一个数量级以上,达到0.001量级或更小。超滑作为一种能将摩擦能耗与磨损率降低几个数量级的变革性技术,是摩擦学领域在人类文明史上的又一个重要贡献。

超滑分为液体超滑、固体超滑和固液耦合超滑。最早的液体超滑是英国物理学家Kapicha1938年发现的,即氦在约零下271℃时,流体内摩擦消失。但对于降低摩擦能耗而言其意义不大,因为降温所需要的能量远远大于一般摩擦能耗。因此,如何在室温甚至更高温度下实现超滑成为人们追求的目标。上世纪90年代,以色列Klein教授在云母表面间通过带电聚合物分子水溶液中的水合作用实现了超滑。日本Kato教授小组在陶瓷摩擦副之间加入纯水磨合2小时,也实现了超滑。

我们团队研究超滑经常受生活现象启发。有次我喝到一碗莼菜汤,莼菜非常滑,我琢磨莼菜中的某些成分或许具有超滑效应,我们便开展了莼菜的超滑性能研究;还有一次,团队成员抱着好奇心,把酸奶加到了实验超滑的机器上,没想到屏幕上的摩擦系数曲线骤然降低。经过严谨论证,酸奶实现的是“假超滑”。我们考虑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。在反复实验后,我们发现酸奶中起关键作用的是乳酸。受其启发,我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。

在发现莼菜超滑、磷酸超滑等现象后,我们团队相继提出流体效应超滑机制、双电层超滑机制和固液耦合超滑机制,将超滑液体体系和适用的摩擦副材料大幅度扩展。特别是我们提出的固液耦合超滑体系,将实现超滑时的接触压力提高了一个数量级,达到GPa(压强单位)量级,为超滑走向实用打开了大门。在固体超滑方面,我们实现了大气条件下的DCL膜超滑、异质表面超滑、非方向依赖性超滑、耐低温超滑等,将实现超滑时的接触压力提升到3GPa以上,已开始走向应用试验。2021年,我们提出超滑工程概念,将超滑技术应用到具体工程中,如海洋装备、交通工具、风力发电机等能源装备、航空航天装备等,可以大幅度减少能耗,提高装备寿命。预计一旦超滑工程完全实现,能为人类每年节约上万亿美元材料和装备消耗,会使发展之路更“绿”。

《瞭望》:薄膜润滑理论研究在指导工业生产制造中发挥了怎样的作用?

雒建斌:提出薄膜润滑状态是我们对完善润滑理论体系的一份贡献。目前多种超滑现象均处于薄膜润滑状态。

此外,我们在薄膜润滑研究中,发现在润滑膜中加入纳米金刚石颗粒后,产生了良好的微抛光作用。因此,我在与全球最大的计算机硬盘磁头制造公司(SAE)对接时,提出将纳米金刚石颗粒用于磁头表面抛光的理念,并率领团队攻关数月,将清华大学的实验室研究和企业现场的试验结合,成功把纳米金刚石颗粒引入磁头表面抛光液中,将磁头表面粗糙度降低了50%,为SAE降低磁头飞行高度,提高硬盘密度作出了贡献。

我们团队还将纳米抛光技术逐步扩展到硅晶圆抛光、化学机械抛光(CMP)装备等。晶圆表面的残存颗粒数是晶圆制造最关键的一个指标,多一个颗粒,就多一个废品点,纳米抛光技术能提升晶圆表面的清洗效果,降低颗粒数;在超大规模集成电路制造中,化学机械抛光(CMP)是半导体器件制造工艺中的一种技术,即使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或衬底材料进行平坦化处理。我们课题组路新春教授孵化的CMP装备制造公司华海清科已经在科创板上市,为我国集成电路制造装备的发展作出了巨大贡献。

实现材料表面原子尺度可控去除

《瞭望》:中国科协发布了10个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题,其中一项即实现材料表面原子尺度可控去除。你对此有何建议?

雒建斌:微观磨损不仅是微/纳机电系统应用中的关键问题,而且是纳米制造的共性基础问题。当前微观磨损研究注重材料磨损性能的表征,缺乏对原子级材料去除机理的深刻认识。围绕材料表面原子尺度可控去除展开的研究和成果,有助于探明外界能量与固体材料原子级去除之间的映射关系,揭示材料微观去除过程中的机械化学耦合作用机制,实现超精密表面的极限精度加工,有助于推动微/纳机电系统的实用化进程。

例如在化学机械抛光过程中,如何实现原子级光滑表面制造是一个难题,其中一个方面就是可否实现原子级材料可控去除。

为加快实现技术突破,在中国机械工程学会的组织下我们进行了专题讨论,形成了以下建议:

一是在立项方面。建议设置基础和应用研究型项目,涵盖培育、重点和重大等项目,申报项目时需要跨学科跨专业申报,应用研究型项目要有企业参与;项目结题要求有企业批量应用。

建议国家相关部门出台针对性的发展规划,重点布局原子尺度下的理论研究立项,尤其是基于量子力学的材料特性相关理论方法研究。同时也要兼顾探索现有高精度高通量工艺方法拓展到原子级可控去除的可能性,注重工艺机理研究和现有高精度工艺方法的交叉融合。

建议设立面向界面原子尺度调控基础研究、原子级制造技术开发、重大需求与经济战场工程应用的集成攻关大平台,集成多学科高校院所以及企业等多种力量,在原子级界面调控机制、成形缺陷率控制方法等方面加强研究,为加工装备提供基础前沿技术支撑与共性关键技术突破,实现多场耦合的异质材料局部以及全局的化学机械抛光,二维材料的可控纳米结构加工,超长精密测量光栅、波导显示光栅、光学超表面透镜等重大关键技术和基础元件的创新制造,打造从界面原子尺度调控机制、原创性原子级加工技术到纳米元件工程应用创新链。

二是在人才培养方面,设置战略科学家,老中青合理搭配,特别是加强青年科学家的参与。以若干典型器件为突破口,成立专门研究团队,开展典型器件制造技术研究,在不断研究中提升核心部件原子尺度制造技术的成熟度。

三是支持国产化装备应用。在微纳系统建设、大科学装置建设等过程中,支持国产化制造装备、检测仪器的推广应用,拓展国产化加工、检测技术的应用推广范围,促进国产化制造装备与仪器水平的提升。建议对芯片热管理等共性瓶颈问题开展基础研究,促进原始创新。以国家重大微纳系统需求为牵引,支持围绕集成电路和光学器件系统建设亟待解决的高精度、高性能原子级制造基础问题研究,开展超精密表面原子尺度制造基础研究,提升我国原子级制造技术创新能力,为国家原子级加工制造提供理论和关键技术支撑。

 

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