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  • 超滑論壇

    “零”摩擦的世界

    wyl2017-11-21 10:00:23

    一.摩擦無處不在

    生活中,隨處可見摩擦現象,司空見慣的摩擦影響著人類生活的方方面面。

    人類對摩擦的研究可追溯到3萬年前,從鉆木取火,到物料運輸;從生活細節到生產建設。人類早已懂得利用摩擦解決問題。

    然而,摩擦及其引發的磨損,對能源、環境、技術和經濟等影響深遠。據統計,全球約1/3的一次性能源浪費在摩擦過程中,導致工業化國家經濟損失高達GDP的5%~7%。

    《中國制造2025》重點發展的十大領域,大多都涉及到大量機械接觸結構的摩擦磨損問題。中國要成為制造強國,必須走向高端制造領域?,F代高端制造業核心在于制品的壽命與精度,而制約壽命與精度的核心問題是摩擦磨損。因此,突破摩擦磨損問題,是中國在世界高端制造舞臺上“彎道超車”的重要戰略。

    以往解決摩擦最常用的方法是液體潤滑、磁懸浮等。但這些方法在高壓、高溫、低溫、真空環境下和極小尺度以及高精尖設備都中將失效。人類急需顛覆性的摩擦磨損解決方案。

    二、超潤滑從想象到現實

    兩個直接接觸的固體表面之間是否有可能實現幾乎為“零”摩擦?這個常出現在科幻小說和電影中的情景在1983年科學家給出了第一個理論預測,后續被命名為超潤滑(Superlubricity)。2004年,外國科學家首次實驗證實了極小納米尺度超潤滑的存在,但科學界普遍認為大尺度超潤滑無法實現。清華大學鄭泉水的研究團隊相信可以實現大尺度超潤滑。

    2008年至今,鄭教授及合作者實現了在室內環境下的從微米到宏觀尺度的超潤滑,以及高速和超長距離超潤滑,無磨損距離相當于從北京到上海的總里程。

    經過十五年的研究,從理論提出、實驗驗證到技術應用。超潤滑的成功應用將使得現代制造實現低能耗、長壽命、高精度和微小型化等優勢。鄭泉水團隊的研究成功,不僅這打破了之前科學家認為大尺度超潤滑是不可能實現的預測,為超潤滑的應用研發奠定了良好基礎,也使中國在超潤滑技術領域保持了領先地位。

    超潤滑的原理可以用兩個雞蛋盒表面形象的類比。兩個雞蛋盒相當于兩個晶體表面。當兩個雞蛋盒卡住時,兩個表面不能相互運動。當兩個雞蛋盒轉動特定的角度,兩個表面就可以容易地相互運動,該滑動狀態就是最初的超潤滑概念。

    三、“零”摩擦的世界

    隨著超潤滑技術研究的深入,超潤滑課題開始走向技術創新應用,包括航天科技、軌道交通和下一代存儲技術等重要領域的應用。

    今天的中國,是世界最頂尖的航天大國之一,但航天技術的發展仍然面臨諸多挑戰。陀螺儀內部機械接觸的摩擦磨損問題是制約衛星壽命和穩定性的首要因素。超潤滑技術將大大提高航天陀螺儀使用壽命。同時,超潤滑技術還將使飛輪儲能式不間斷電源、太陽帆板驅動機構和空間相機等航天器核心部件的磨損降低,從而使其使用壽命大幅提高,提高太空轉動部件精度,解決更換航天器部件的巨額成本問題,并直接影響航天器的整體壽命。超潤滑將助推中國航天成為國際舞臺的顛覆者。

    近年來,隨著我國高速列車和電力機車的迅猛發展,高鐵已成為中國“一帶一路”的國家名片與新四大發明之一。國家計劃我國高鐵里程10年將再翻一番。

    但是高鐵技術的發展仍具有巨大挑戰。受電弓是電力機車獲取電能的核心設備,但受電弓滑板與通電線纜之間的磨損為高鐵造成了巨大損耗。超潤滑技術將有效提高受電弓的運行效率,大幅延長其使用壽命,緩解每3個月換受電弓的繁瑣。同時,超潤滑將有效控制車輪與鐵軌之間的摩擦,從而避免磨損問題,大幅延長輪軌使用壽命,助力中國高鐵迅猛發展。

    隨著互聯網技術的飛速發展,現有的存儲設備對比看似“無限大”的云端存儲技術,已不能滿足用戶龐大的數據存儲需求?,F有主要的數據存儲設備-機械硬盤因限定磁頭磁盤的摩擦狀態和復雜的機械結構等原因,使擴充存儲量、提高讀寫速度和進一步小型化等發展陷入技術瓶頸。但是經過我們計算,比起另一種主要存儲設備-固態硬盤,機械硬盤的理論存儲密度要比固態硬盤的理論存儲密度大近7倍。因此,機械硬盤仍有希望引領未來存儲市場。

    超潤滑接觸式機械硬盤將成為下一代存儲設備,將磁頭磁盤飛行運行模式改為直接接觸滑行運行模式,這與正在發展的熱輔助存儲技術和比特圖案磁介質技術相互配合,解決飛高和高溫讀寫問題,意味著機械硬盤將提升幾十倍的存儲量;在保持現有容量的條件下,能夠極大程度地縮小存儲設備的物理體積;并且多磁頭結構能夠進一步提高讀寫速度幾十倍。目前,鄭泉水團隊已經制作出了超潤滑硬盤滑行式樣機。超潤滑下一代存儲技術的實現可望引發未來的信息產業革命。

    四、尾聲

    當前,國際產業分工格局正在重塑,新一輪的科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式的時局形成歷史性交匯。


    未來,超潤滑技術還將深入到機器人與人工智能領域的方方面面。

    以中國人為主的國際團隊持之以恒地致力于超潤滑技術的研究,為把我國建設成引領世界制造業的發展強國,實現中華民族偉大復興而不懈奮斗。

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