摩擦、粘附和润湿是表界面科学中的三个基本概念, 而表界面动态运动过程中以摩擦现象颇多.摩擦是引起材料表面磨损和前进阻力增加的主要原因, 通常会造成零件的磨损和系统能量的额外损, 直接影响到运动系统的性能和使用寿命.据统计, 世界上大约有三分之一至三分之二的能量消耗于不同形式摩擦, 80%的零部件损坏是因为磨损造成的.而润滑是减小材料表面摩擦和磨损的有效措施, 这使得润滑成为当今表界面工程研究领域中的核心主题和关键科学技术.从传统的无生命机械系统到有生命的非机械系统, 润滑已经渗透到表界面科学领域中的各个研究方向.其间, 发展高端的表界面润滑材料与防护技术直接关系到我国传统装备工业、武器系统、空天工程、生命医疗、核工业和海洋战略等领域的未来方向.现有的润滑手段主要涉及液体润滑剂、固体润滑材料与技术、固-液复合润滑材料与技术、仿生亲水润滑材料与技术、仿生润滑减阻材料与技术等.而发展先进的润滑材料与技术取决于科学家们对表界面润滑科学领域中基本物理化学问题的深刻认识, 如摩擦的产生根源、界面剪切粘度与润滑的科学关系、界面摩擦化学反应的本质规律、界面润滑膜原位生成的微观机制、水化的科学本质、承载抗磨润滑材料的创新设计理念与思路等.因此, 探索润滑学科研究中的表界面物理化学科学问题、发展高端润滑材料与表面防护技术具有重要的理论和应用意义.

水是关节软骨中最丰富的成分, 人体关节系统软骨表面处于高度水化状态, 致使软骨呈现出特殊的物理化学特性.摩擦剪切过程中, 水分在关节软骨层中产生动态流动, 起到承重及润滑的作用.因此, 天然的关节软骨完美地诠释了表界面润湿特性与亲水润滑之间的关系.然而, 天然关节软骨因磨损致其表界面润滑性能发生变化, 后期需要使用人工仿生关节软骨材料进行替代.其间, 认识和揭示人体关节系统优越的表界面水润滑机制^[1]、制备仿生人工低摩擦软骨材料^{[2, 3]}、发展新型可注射关节滑液^[4~6]是该领域的国际前沿.此外, 随着民众对高端医疗器械需求水平的提高, 通过先进的表界面物理和化学手段, 研发适用于植介入型医疗器械表面润滑改性的关键涂层技术也将成为这一领域未来的国际前沿.

海洋中的航行体在前行过程中通常会受到流体的摩擦阻力, 一则增加燃油消耗, 二则影响作战效率.利用表界面物理化学新原理、新理念和新技术, 突破现有水下航行体的速度极限, 实现水中的高速航行, 一直是国内外众多学者和科学家们关注的焦点.仿生润滑减阻目前有疏水和亲水两种技术手段^{[7, 8]}.仿生疏水减阻, 即超疏结构中的低粘度空气充当润滑相, 将“固-液”界面转变为“固-气-液”三相界面, 有效降低固-液界面间的分子相互作用, 进而降低流体在固体表面的摩擦系数, 增加固液界面间边界滑移, 实现高效减阻; 而针对仿生亲水减阻机理研究和材料制备相关的工作仍在探索之中.其间, 认知自然界的亲水减阻机制^[9]、发展高效减阻新原理和策略^{[10, 11]}、研发仿生功能性减阻涂层新技术^[12]是该领域的国际前沿.未来10年, 开发具有优异减阻特性的仿生材料和相关制备技术将成为本领域的研究重点.其中, 原位气膜生成气膜减阻技术和仿生超亲水弹性减阻技术将成为该领域的研究热点.

使用液体润滑剂来降低两个滑动固体表面之间的摩擦和磨损, 已经成为重要的表界面物理化学手段之一.传统的液体润滑剂通常有植物基润滑油、矿物润滑油、合成润滑油和水基液体^[13~15].对于植物基润滑材料而言, 新颖的植物基润滑材料创新设计, 绿色、低成本、规模化改性工艺技术研究等将是该领域的国际热点.矿物基础油是目前用量最大的基础油, 约占基础油总量的95%.从总体趋势来看, 矿物基础油正逐步从Ⅰ类油向低硫磷、低挥发性、良好粘温性能和低温流动性的Ⅱ、Ⅲ类基础油发展.合成润滑剂向着高热稳定性和高温润滑性能优异的研究方向发展.在新型液体润滑材料领域, 离子液体是近些年发展的新型润滑剂^{[16, 17]}, 因其具有较优异的减摩和抗磨性能以及结构的可调控性, 引起了摩擦学界的广泛关注, 我国在该领域的研究处于国际先进水平.在离子液体润滑材料领域我们应当重点关注抗空间辐照离子液体, 绿色离子液体润滑剂的设计制备以及离子液体润滑材料的工程应用技术开发等领域.我国在国际上首先提出了具有“自约束”性能的凝胶润滑剂^[18], 这类新型的润滑剂, 具备很好的热可逆性及触变性能, 在达到一定的温度或者剪切作用的影响下, 能够迅速的从凝胶态转变为液态, 当外力作用消失或者温度降低后, 又能够快速的变为凝胶态.通过这种方式, 就能够有效的解决润滑油的爬移, 蒸发损失或者泄露等缺陷, 同时在一些特定的条件下, 也能够作为润滑脂的替代品.

相比液体润滑剂, 固体润滑材料具有使用温度范围宽、无挥发、结构简单(无需密封)、加速寿命试验有效等突出优点^[19~23].随着运动机构对机械部件的功能性要求越来越高, 系统对润滑材料性能指标的需求也不断提高, 意味着对于固体润滑材料摩擦学性能的要求也越来越高, 例如更好的耐磨性、更低的摩擦系数、弱的摩擦噪声、优异的耐辐照特性和多环境适应性等.纵观世界各大国固体润滑材料和技术发展趋势, 长寿命、高可靠润滑材料和润滑技术永远都是各大国不懈追求的科技前沿, 同时也关系着世界各发达国家空天、国防、工业等科技领域的竞争.随着系统对固体润滑材料寿命和环境适应性提出更加苛刻的要求, 多层或复合固体润滑材料技术将成为该领域未来的重要发展方向之一; 具有良好环境适应性(如高低温交变、空间辐照、核辐照等)的多功能固体润滑材料也是未来的发展方向之一; 自适应性智能固体润滑材料和原位补给润滑技术也会变得越来越重要.

润滑材料与技术的创新发展基于对摩擦界面基本物理化学问题的科学认识, 取决于对表界面关键科学问题的准确把控. (1)疏水界面减阻的科学本质为空气层的存在削弱了固-液界面分子间相互作用, 进而加大了壁面滑移; 其间, 最理想的状态是创造高气体分数的固体表面, 将固-液界面转换为固-气界面, 从而大大降低流体在固体表面的摩擦阻力, 这也是设计新型仿生疏水减阻材料的理论准则.然而, 对于传统的仿生超疏水材料而言, 其所面临着实际问题为储存在其微纳结构中的气体很难抵抗住高速剪切条件下水压的连续冲击, 气泡发生排逸, 气膜层破坏, 减阻失效.所以, 制约仿生疏水减阻技术发展的关键科学问题在于如何抑制动态边界剪切条件下气泡的变形和逃逸问题, 以及如何创造气膜稳定化封存的边界条件. (2)从摩擦学角度来说, 关节润滑的微观机理还不清楚, 关节液、关节软骨层如何协同作用？动态变载条件下, 润滑状态如何转变尚不清楚.从材料学角度来说, 仿生关节材料呈现材料单一、测试条件简化的缺点.而天然的关节软骨是典型的固-液两相材料, 是一种粘弹性材料, 具有低的瞬时弹性模量、抗压特性及应力分散特征.目前, 我国现有的高端仿生亲水润滑材料与涂层普遍存在功能单一和性能不稳定的问题.天然关节系统水化、承载和润滑机制尚不明确. (3)尽管我国在液体润滑领域取得了显著的成绩, 提升了我国在该领域的研究水平, 为国际摩擦学与润滑材料的发展做出了重要贡献, 但仍在诸多方面存在一些值得关注的问题:跨尺度条件下界面摩擦化学反应的本质尚不明确; 缺乏液膜原位监测分析系统; 现有液体润滑剂功能性单一; 高端润滑油脂和添加剂的制备工艺与国外大型石化公司相比存在一定的差距; 科研单位与企业结合不够紧密; 企业只注重生产、经营, 润滑油科学知识缺乏, 未能将机械、润滑和密封三要素进行系统的合理运用. (4)固体润滑材料的使用涉及真空、交变温、复杂气氛、辐射等不同环境因素, 随着我国深空探测、国防武器装备和核能相关任务的持续开展, 运动系统所面临的环境条件将会越来越苛刻, 如何准确模拟和预测固体润滑材料在复杂环境中失效的科学机制, 实现在极端环境条件下机械运动部件的可靠润滑, 是制约该领域发展的核心科学问题.

(1) 就仿生亲水润滑而言, 国内研究团队虽少, 但已取得了显著的科研成果, 特别是产出了一批原创性的研究成果.其中, 清华大学雒建斌院士团队在亲水超滑体系构建和摩擦学机理研究方面颇具特色, 目前其团队提出的酸系-超润滑体系^[24], 已经生了一定的国际影响力.中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究团队近10年以来围绕界面湿滑机理、材料和技术开展了系统的研究工作, 目前已经取得了多项原创性成果.例如, 其研究团队首次在国际上从摩擦学角度揭示了口腔发涩现象背后的科学机制^[25], 产生了重要的学术影响力; 发展了亚表面引发聚合和表面催化引发聚合等系列原创性的湿滑修饰方法^[26]; 研发了多项适用于医疗器械表面湿滑改性的关键涂层技术^[27].上海交通大学戴克戎院士团队, 中国矿业大学、南京理工大学和西安交通大学等院校长期开展仿生人工关节相关的研究工作, 并取得了系列突出成果, 特别是在植入人工关节假体材料的摩擦、磨损性能评测方面颇具特色.周峰研究员和葛世荣教授团队在发展仿生多层梯度关节软骨润滑材料和复杂界面润滑承载模型构建方面做了大量工作, 研究结果表明, 层状梯度材料有利于改善接触界面的应力耗散机制和润滑状态, 能够减缓软材料在重载条件下的磨损问题.此外, 国内相关学者的研究结果表明, 通过使用亲水性聚合物材料对人工关节表面进行润滑改性, 可以很好地模拟天然关节软骨的运行机制, 进而获得优异的界面水润滑性能.最近, 周峰研究团队率先在国内上开展了新型人工关节润滑液合成的创新工作^[28], 这也是我国仿生亲水润滑领域中的特色工作之一.总体而言, 我国在仿生亲水润滑研究领域已经取得了系列成绩, 但研究队伍尚且不够强大, 研究人员的科研水平有待于进一步提高.

(2) 仿生疏水减阻的理论基础源于科学家们对界面特殊浸润性规律的深刻认识, 北京航空航天大学江雷院士系统研究了界面材料结构和化学特性规律, 首次提出了“纳米界面材料的二元协同效应”, 并创造性地将仿生微纳米复合结构与外场响应性分子设计相结合, 实现了在单一或多重外场控制下材料表面浸润特性的可逆变化^[29].基于此, 我国科学家在超疏水减阻方面的特色工作主要集中三个方面:构筑基于微纳尺度的超疏减阻界面、研究超疏水表面减阻行为与机制和制备超疏水减阻涂层材料.近10年以来, 北京大学段慧玲团队, 清华大学、西安交通大学、上海交通大学等院校相继开展了“超疏水表面在湍流边界层中的减阻机理”相关的基础研究工作, 并取得了系列突出的科研成果.中科院兰州化物所周峰团队则从表面化学组成角度出发, 发现(超)疏水表面化学组成对表面润湿、粘附、以及固-液界面减阻行为有显著影响, 首次实现了外界刺激(如光、热、pH)对固-液界面润湿粘附及减阻行为的可逆调控; 基于上述研究理念, 其研究团队已经发展了一系列超疏水自清洁减阻抗污涂层技术, 并服务于多家企业和机构.中国科学院兰州化学物理研究所与西北工业大学和英国帝国理工学院合作设计了无限边界条件下的高效减阻界面, 解决了气泡在剪切条件下的变形和逃逸问题, 实现了77%的减阻率^[30].总体而言, 目前我国自主发展的仿生疏水减阻理念和技术已经成功应用于国民经济建设的各个方面; 但就军事领域而言, 我国尚且没有核心的仿生减阻技术, 研究队伍人员结构和研究水平有待进一步提高.

(3) 我国在液体润滑材料领域取得了重要的进展与突破, 形成了一些优势学科与方向以及原创性研究成果, 基础研究方面整体达到国际先进水平, 如离子液体润滑剂、液体超滑、超分子凝胶润滑剂等领域.如中国科学院兰州化学物理研究所刘维民院士团队率先在国际上提出将离子液体作为润滑剂, 并开展了系统的研究工作, 研究成果逐渐受到国内外同行的广泛关注, 推动了整个润滑学科的发展.然而, 需要指出的是, 离子液体摩擦学研究仍然处于起始阶段, 为新开拓的领域.离子液体润滑及能否作为作为一种绿色环保的实用性润滑剂, 仍需解决很多关键性的科学和技术问题, 如腐蚀问题和合成成本较高问题.清华大学雒建斌院士团队则率先在国际上开展了基于磷酸液体的超滑体系研究, 从摩擦学角度揭示了液体超滑体系的润滑机制, 取得了一系列突出的研究成果.目前, 其研究团队正在将液体超滑体系进行扩展, 以拓展这一体系的普适性.周峰研究员团队在国内最早提出了介于润滑油和润滑脂状态之间的超分子凝胶润滑剂体系, 其有望解决传统润滑油使役中所出现的爬移以及泄露问题.作为一种新型的液体润滑材料, 超分子凝胶润滑剂体系未来有望产生重要的应用.在研究队伍建设方面, 我国在科技部、基金委、科学院、科工局等资助下, 目前从事润滑材料研究的队伍不断壮大.在过去十年我国在摩擦学与润滑材料领域新增院士2人, 国家杰出青年基金获得者9人, 优秀青年基金获得者10人. 2人获国际摩擦学金奖(薛群基, 2011;温诗铸, 2015)表明我国摩擦学与润滑材料研究获得了国际认可.

(4) 目前, 我国固体润滑材料的研究主要集中在航空航天、武器系统、核任务和高端装备等领域.其中, 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室承担了国家70%以上的润滑技术攻关任务.其中, 以空间用固体润滑材料为主要研究特色, 而固体润滑材料中又以固体润滑薄膜为典型代表, 主要包括层状化合物和软金属.目前, 我国的固体润滑材料技术已经服务于我国经济建设和国防军事等多个领域.特别是具有我国自主知识产权的固体润滑薄膜技术成功保障了我国航空航天任务的顺利实施.总体而言, 在固体润滑薄膜材料及其制备技术领域, 国外各航天大国虽一直处于引领地位, 但国内相关单位也在持续开展相关研究工作, 基本能够满足我国目前各领域对固体润滑材料的需求, 研究队伍人员也较为稳定, 研究水平也相对较高.

就基础研究水平而言, 我国科学家已经在固-液界面减阻新机理探索和高效减阻界面构筑方面取得了显著的科研成绩, 部分研究成果达到了国际先进水平, 相关成果已经进行了技术转化, 并在民用领域拓展出了多个系列的仿生疏水减阻产品.但就军用减阻技术而言(以海洋航行体为对象), 我国尚且比较落后, 尚无具有自主知识产权的实用型仿生减阻技术.目前, 俄罗斯和美国的超空泡减阻技术已经取得了举世瞩目的军事应用, 而我国尚处在技术仿造和攻关阶段, 故未来仍然面临着巨大挑战.该领域卡脖子的问题在于:我国大部分与减阻相关的高水平研究成果仅停留在实验室水平, 减阻效果的评测缺乏一个严格而公认的度量标准, 基础研究成果向应用转化步伐较慢, 而现有的海洋减阻技术长效稳定性较差, 缺乏具有自主知识产权的核心技术.

就基础研究而言, 我国科学家已经在界面水润滑机理研究和功能性湿滑材料制备方面取得了突出的科研成绩.就应用技术而言, 我国已取得多项具有自主知识产权的核心技术, 研发了系列低摩擦水润滑涂层, 并实现了技术转化; 特别在介入型生物医疗器械材料表面湿滑修饰改性技术方面, 我国已能够达到了国际先进水平.但就仿生人工关节、植入型医疗器械等高端产品和技术而言, 我国尚且比较落后.以人工关节为例, 日本已经走在了世界前列, 研究人员将亲水高分子刷接枝在硬质人工植入关节材料表面, 研发了减摩和抗磨性能优异的新型人工关节产品; 而相关方面的技术我国目前还处于基础研究阶段, 离临床应用的路还很长, 逐渐与日本和欧美等国家拉大差距.此外, 针对植入型高端医疗器械和润滑材料, 我国目前基本以进口为主.卡脖子的问题在于:基础研究不扎实, 产品审批周期长滋生国内追求短、快的研发风气, 频繁的技术仿造, 导致我国缺乏具有自主知识产权的核心技术.

与发达国家相比, 我国在高端润滑油、脂及其添加剂的性能与服役表现方面存在较大差距, 远低于国外产品.具体表现在: (1)合成润滑剂在某些使用性能方面如耐高低温、承载能力、减摩性能等与国外知名品牌产品相比还有较大差距. (2)高性能润滑油脂是由高品质基础润滑油及高性能润滑添加剂经过科学复配而获得的润滑材料产品.目前全球90%的添加剂市场被美国四大添加剂公司垄断, 我国的高性能抗氧化添加剂、摩擦改进添加剂、抗极压、抗磨损添加剂等还主要依赖进口. (3)国外大公司已经系统掌握了合成润滑材料对轴承、齿轮等性能的影响因素, 并不断探索增效延寿技术方法.我国在该方面起步较晚, 航空发动机主轴轴承和传动系统等轴承寿命都比国外低, 其中制约因素之一就是重载高温环境下的润滑材料和润滑方法, 因此需要开展系统深入的研究工作以揭示其影响机制并验证其使役性能.

综述国内外固体润滑材料研究发展历程, 大致可分为四个阶段.目前, 我国处在第一(单层薄膜)和第二阶段(复合化和多层化薄膜), 国产固体润滑材料技术已经基本能够满足国家各个领域的需求.但随着系统对固体润滑材料更长寿命的需求, 会使现有润滑层性能达到极限, 一旦润滑层耗尽就会导致系统失效.发展自适应型智能润滑薄膜或原位润滑剂补给技术将是未来该领域的前沿方向, 也是固体润滑材料发展的新阶段.一些国家已开展了相关研究工作, 并对其可行性进行了验证, 但仍处于进一步研究和发展之中.随着我国科学家对固体润滑材料研究水平的不断提升, 与发达国家之间的差距将逐渐缩小.

① 界面润湿与减阻关系及其调控规律研究. ②基于微结构封存气膜的表界面物理化学创新设计思路.通过对材料表面微结构的特殊设计, 降低高剪切模式下液压对气泡的排逸程度, 提出水下大尺度气膜稳定化封存方法, 实现边界条件下高效稳定减阻. ③原位产生气膜减阻的新设计方法.通过表界面化学和物理手段, 在材料表面构建原位气膜生成系统, 将固-液界面转化为气-固界面, 降低航行体前进阻力, 研发具有我国自主知识产权的原位气膜减阻技术. ④仿生亲水弹性减阻界面的创新设计.通过研究海洋中大型动物表皮的减阻行为与机制, 提出仿生亲水弹性减阻理论, 通过化学和物理手段, 设计新型减阻功能表面, 研发具有我国自主知识产权的仿生亲水减阻技术.

① 界面水化和润滑关系及其调控规律研究. ②通用材料表面湿滑修饰改性化学原理和方法的创新设计.基于表面催化引发聚合思路, 提出适用于固体材料表面亲水润滑改性的新原理、新方法和新技术. ③高承载、低摩擦和抗磨损型仿生亲水润滑材料的设计与制备.通过学习天然关节系统动态承载状况下的水润滑机制, 采用先进的表界面化学和结构调控理念, 发展层状、梯度型仿生关节软骨材料, 同时实现高赫兹接触应力下的低摩擦和抗磨损特性, 为设计高端人工关节软骨材料提供数据和理论指导, 突破硬质人工置换关节材料表面的润滑改性关键技术. ④高端仿生润滑液的人工合成.仿生天然关节软骨表面糖基生物大分子生化结构, 模拟其优异的水润滑机制, 合成具有优异减摩和抗磨特性的人工可注射型关节润滑剂, 减少临床上对天然提取润滑剂(如透明质酸钠)的依赖. ⑤生物医疗器械材料表面湿滑改性关键技术.通过界面高分子聚合新方法、化学组分调控和涂层成型工艺的优化, 发展一系列适用于医疗器械材料表面, 并能够实现稳定低摩擦特性的水润滑涂层关键技术, 取代传统的润滑液技术, 实现应用转化.

① 植入型仿生耐磨材料的创新设计.研究天然耐磨材料的生化结构和抗磨机制, 通过仿生学设计理念, 从结构、材料和功能三个方面提出仿生牙齿耐磨材料及内固定材料的设计准则. ②工程仿生耐磨材料的升级制造.通过层状、梯度化以及有机无机相复合技术, 提出制备强韧一体化工程耐磨材料和涂层技术的新思路.

① 通过新型表界面化学和物理技术手段, 揭示界面特殊的摩擦化学反应机制. ②通过表界面化学吸附理论和分子链段的精准设计与合成手段, 制备系列具有优异减磨和抗磨特性的绿色环保型离子液体润滑剂. ③通过超分子识别和组装机制, 发展具有自约束特征的新型超分子凝胶润滑剂(处于润滑油和润滑脂之间), 解决传统润滑油和润滑脂使用过程中出现的突出问题. ④对废旧润滑油和植物油进行回收、处理生产再生润滑油相关的技术具有较大的市场发展前景. ⑤我国相当一部分高性能合成基础油仍需要进口, 更多的科学家应该致力于高端基础油的技术革新和应用研究, 突破一批核心专利技术, 以满足未来市场的持续稳定增长.

通过表界面化学和物理手段, 在保证低摩擦和长寿命的基础上, 提出耐核辐射、耐原子氧辐照、宽温域和适用于交变温环境的新型固体润滑材料设计新思路, 发展多层或复合型固体润滑材料, 研发具有自修复功能的智能固体润滑材料与技术, 探索固-液复合原位补给润滑技术.

润滑是一门涉及表界面物理化学、材料和机械工程等领域的交叉学科, 学科的发展源于对界面摩擦过程中关键物理化学科学问题的认识和共性工程技术难题的攻关, 即用表界面化学和物理的手段解决实际机械工程、材料领域中所出现的摩擦学问题.润滑学科虽小, 但却关系着我国国民经济建设、生物医疗、国防科技和空天等多个领域的发展.目前, 我国从事润滑学科研究的人才队伍日益壮大, 研究成果丰硕.国产固体润滑材料和液体润滑剂基本能够满足国家各领域的需求, 但相关技术更新换代较慢; 在仿生润滑减阻和防生亲水润滑材料与技术方面, 我国现有研究水平和技术与世界强国相比仍有一定的差距, 应加强基础研究和应用技术攻关, 特别是加强润滑学科中表界面基本物理化学科学问题的研究.此外, 作者建议国家应重点资助和培养我国本土润滑人才, 进一步巩固和发展我国的青年润滑研究力量, 服务于国家重大需求和国民经济主战场.