張晨輝：投身潤滑研究 服務國家需求

徐芳芳

摩擦，無處不在。磨損，往往相伴而生。據統計，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，給全世界經濟造成巨大損失。減小摩擦，降低磨損，是摩擦學的基本任務，也是摩擦學研究者一直追求的目標。

清華大學機械工程系教授、清華大學天津高端裝備研究院潤滑技術研究所所長張晨輝，從20世紀90年代起就開始從事摩擦學研究，和團隊一起在機械潤滑領域開展系統研究。20余年來，他和團隊一方面聚焦科學前沿，深入探尋潤滑機制與摩擦本質，發現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量級，揭示了液體超滑機理，實現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先地位；另一方面，他們以國家需求和企業的實際應用為導向，開發了二維MoS2、合成酯等多種減摩抗磨添加劑，應用于切削液和潤滑油并實現了產業化推廣，應用效果受到使用單位的廣泛好評，實現了經濟效益、社會效益、環境效益的多贏。

我國是能源消耗大國，在能源緊缺、環保降耗的背景下，時代呼喚更多減摩抗磨的成果和產品。“科研成果最終一定要落地”是張晨輝一直堅持的理念。讓科研成果更多更好地應用于生產實踐，服務國家需求，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90年代，在國際上，有研究者提出“超滑”概念，將滑動摩擦系數為0.001量級甚至更小的狀態稱為超滑。通常來講，潤滑油的摩擦系數為0.01～0.1，而超滑的摩擦系數要比常用的潤滑油低一個數量級以上。可以說，超滑使“近零摩擦”和“近零磨損”成為可能，一旦實現，將對社會生產產生巨大而深遠的影響。因而，超滑的概念一經提出，即成為摩擦學領域的研究熱點。國際上許多學者通過各種方式試圖實現超滑。

1998年，張晨輝師從雒建斌教授（2011年當選為中國科學院院士），開始摩擦學的學習、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，在表面間產生靜電斥力，從而實現超滑。然而，由于電荷分布的不均勻，兩表面間不但沒有產生斥力，反而產生了吸引力，未實現超滑。張晨輝當時并未參加這一研究，作為旁觀者，第一次接觸到超滑，他就對超滑產生了濃厚的興趣。

之后，團隊不斷嘗試各種方法，以期實現超滑，但卻均以失敗告終。轉機出現在2008年。團隊的博士生馬陟祚突發奇想將酸奶加入到試驗機中，測量酸奶的摩擦系數。1個小時后，一個令人驚奇的結果出現了：摩擦系數突然降低到0.003。

與學生合影

“這個發現令我們興奮不已，于是在雒老師的帶領下，我們馬上組織攻關團隊，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，晚上分析數據，并制訂第二天的實驗方案。經過兩個多月的奮戰，預期的實驗結果并沒有出現，摩擦系數忽高忽低，缺乏規律性。張晨輝和團隊十分困惑：到底是哪里出了問題？經過認真排查，他們發現是因為實驗儀器的安裝誤差，導致測量結果不準確。因為摩擦力本身很小，即使是0.1度的角度安裝誤差，也會導致200%的結果誤差。排除安裝誤差后，他們再次測量，發現酸奶的摩擦系數為0.06，并未達到超滑。這個結果如同一盆涼水，讓團隊成員感到非常沮喪。

科研無坦途，勇于直面挑戰才是科研的真諦。短暫的沮喪后，團隊重整旗鼓，繼續展開研究，向超滑發起了再一次的沖鋒。他們想到，雖然酸奶沒有實現超滑，但還是能將摩擦系數降低到0.06，如果找到酸奶中導致摩擦降低的關鍵因素，也許會對實現超滑有幫助。終于，在反復的實驗后，他們發現酸奶中起關鍵作用的是乳酸。受其啟發，他們嘗試用各種酸進行實驗，最終發現使用磷酸溶液可以實現摩擦系數為0.005以下的超滑狀態。經過多次重復實驗和反復確認后，證實了超滑結果的可靠性。之后，他們進行了深入的研究，將這一超滑現象拓展為一個體系，并提出了“氫鍵網絡”模型的超滑機理。這在國際上尚屬首次發現。而且，實現超滑時的接觸壓力可達0.5GPa，是當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，新的問題又出現了。在后續的實驗中，他們又發現了一些無法用“氫鍵網絡”模型解釋的現象，比如超滑的速度依賴性。為了弄清楚原因，他們開發了多種設備對超滑狀態進行觀測。最終發現此前提出的“氫鍵網絡”模型并不準確，超滑實際上是因為形成了彈性流體動壓潤滑（彈流潤滑）。

這個發現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。“因為彈流潤滑是摩擦學中非常成熟的理論，如果真的是這樣，那可以說我們的研究沒有任何新意。”張晨輝解釋。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超滑？按照這一構想，他們繼續展開研究，設計了相關實驗，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，最終成功實現了不依靠彈流作用的超滑。而且，根據這種方法，他們還設計和開發了新型的摩擦副材料，在水中具有很小的摩擦系數，可用于水潤滑軸承和人工關節材料。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、水合效應和雙電層效應共同作用的水基液體超滑機理。

在此基礎上，團隊再接再厲，使用酸誘導摩擦副表面發生摩擦化學反應，在中性鹽溶液潤滑條件下實現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，利用水合離子實現液體超滑，使水基超滑的應用成為可能。另外，對摩擦副使用酸溶液進行預跑合，再使用潤滑油潤滑，成功實現了油基超滑，并提出了油基超滑的實現區間圖，為油基超滑的應用做了有益探索。

瞄準應用持續發力

2014年7月16日，清華大學天津高端裝備研究院成立，其注重產學研資政協同創新，旨在打造高端制造領域新高地，在科技轉化、產業孵化、技術服務和人才聚集等方面發揮作用。

作為下設科研機構，潤滑技術研究所應運而生。自誕生之日起，潤滑所就以“應用”為己任，致力于環保型高端金屬加工潤滑油/液研發及其產業化推廣。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“應用”放在重要位置，讓研究成果應用到實際生產中去，是他一直以來的夙愿。

鈦合金切削，是他們瞄準的應用難題之一，也是讓切削行業乃至航空航天行業頭疼的“刺頭”。作為集強度高、機械性能優異、耐腐蝕性能好等優點于一身的材料，鈦合金被大量應用于飛機結構件、發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志之一。然而，鈦合金也因其難加工而聞名。其切削區溫度高，加之切削過程中機械沖擊力大，刀具損耗非常大，甚至會造成加工表面缺陷導致零件報廢。同時，切削中的高溫增加了材料化學活性，冷卻液選擇不當或質量控制失當會導致零件表面產生腐蝕，影響零件使用性能。長期以來，鈦合金冷卻潤滑介質被國外企業壟斷，價格高昂且不能完全滿足鈦合金高效加工的需求。

為了解決企業生產難題，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。作為高校科研人員，科學探索是強項，而面向應用開展攻關卻并不容易。盡管困難重重，為了破解困擾行業的難題，他們義無反顧。經過反復實驗和大量研究，他們終于成功研發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良好，但是在實際生產中，受到使用環境等因素的干擾，加工液會有怎樣的表現，張晨輝還是有些擔心。在使用中，航天精工（天津）制造有限公司的技術人員發現，這款國產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，不易腐敗發臭，使用壽命長；對人體友好，不致敏。經過綜合評估，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用需求，開發了多種具有針對性的產品，在企業生產中發揮了“四兩撥千斤”的作用。針對模具鋼的切削加工，他們開發了全合成加工液，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，縮減了后續清洗工序，極大提升了生產效率。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用推廣。用戶反饋：將添加劑應用于物流車的發動機潤滑油中，具有節省燃油、提高發動機效率、降低發動機噪音的效果。同時，將發動機潤滑油的換油周期由1萬公里提高到6萬公里。節約了物流公司的運營成本，具有較好的經濟效益。

短短數年時間，在張晨輝和團隊的不懈奮斗下，潤滑所從無到有，擁有研發團隊10余人，其中高級職稱4人，已申請發明專利20余項，授權7項，已研發出加工液、潤滑油、添加劑等產品超過30種，逐漸在高校科研成果轉化和企業應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。國家杰出青年科學基金（以下簡稱“杰青基金”）、“科學探索獎”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研究，在導師的指引下，在同事們的支持下，部分研究成果達國際領先水平，成果實現產業化推廣，在機械潤滑領域闖出了一片天地，已經成為液體超滑方向和潤滑技術方向的學術帶頭人。獲得國家自然科學獎二等獎、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”。導師雒建斌非常耐心地給他解惑。后來，又主動幫他聯系了香港城市大學的交換生。這次的經歷，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，導師從未來能源發展角度，高屋建瓴地指出水基潤滑將來肯定會大有用處，潛力巨大，建議他調整研究方向。剛參加工作后不久，導師雒建斌經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、無私、提掖后輩是清華老一輩科學家的優良傳統。現在，作為機械系副主任、摩擦學國家重點實驗室常務副主任的張晨輝也在踐行著這一傳統，培養提攜年輕一代摩擦學研究者。

現在，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計與實現、非水基液體超滑機理、固體超滑和液體超滑協同作用機理等研究，推動在高端裝備、生物醫療等領域可應用的超滑技術的發展；二是為應對越來越嚴苛的環境挑戰，研發可降解環保切削液及其無害化處理方法；三是試驗“新想法”，創造性地引入生物學理論，以期解決工廠面臨的潤滑液經過周末而腐敗發臭的“星期一”難題；四是繼續推動既有產品的產業化應用。

如果說此前張晨輝更多的是解決“為什么”問題，那么現在，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。