本文为一份关于镓基液态金属作为特殊润滑剂的系统性综述。文章由西安交通大学现代设计与转子轴承系统教育部重点实验室的团队撰写，主要作者包括戴松杰、张晖、刘洋、郭世利、陈嘉伟、李宝通和董广宁。该文已发表于期刊 Friction 2025年第13卷第10期，开放获取，具体引用信息为：Dai SJ, Zhang H, Liu Y, et al. Friction 2025, 13(10): 9441047. DOI: https://doi.org/10.26599/FRICT.2025.9441047。
论文主题与背景 本文聚焦于镓基液态金属作为一种在极端工况下表现优异的特殊润滑剂的摩擦学研究进展。常温液态金属有多种，如汞、铷、铯、钠钾合金和镓基合金等，但汞、铷、铯等因毒性、放射性或爆炸性而应用受限。镓基液态金属，特别是镓铟（Ga75In25）和镓铟锡（Ga68In22Sn10）合金，因其独特的物理化学性质——如高沸点（约2000°C）、高导热性（~24 W/(m·K)）、高导电性（~2.6×10^6 S/m）、优异的辐射耐受性以及极低的饱和蒸汽压——而成为极具潜力的润滑材料。在极端条件（如高温、高真空、强辐射）下，传统烃类润滑油易于分解失效，固体润滑剂（如石墨、MoS₂）存在薄膜破裂脱落问题，离子液体则面临合成复杂、电导率相对较低等挑战。相比之下，GLM在上述极端环境下展现出卓越的稳定性和润滑潜力，使其在核设备、航空航天、计算机断层扫描（CT）管轴承等关键工程领域具有不可替代的应用前景。然而，尽管GLM作为润滑剂的研究可追溯至上世纪60年代，相关进展在较长时间内较为缓慢，且近年来缺乏系统性的综述文章。因此，本文旨在全面回顾GLM的摩擦学特性、润滑机理、性能改善策略及其工程应用，并为未来发展方向提供见解。
主要内容与观点
1. GLM的摩擦学特性及其影响因素 本部分首先系统阐述了GLM的物理化学性质，并以Ga75In25为例，详细列出了其密度、粘度、熔点、沸点、饱和蒸气压、导热导电性及表面张力等关键参数。其中，高表面张力（~500-600 mN/m）导致其对多数材料润湿性差，这是其在边界润滑条件下性能不佳的主要原因。此外，GLM在空气中表面会迅速形成约3纳米厚的Ga₂O₃氧化膜，这虽然降低了表面张力、提高了润湿性，但也略微降低了导热性。
文章随后深入分析了影响GLM润滑性能的多种关键因素，构成了其摩擦学行为研究的核心。 * 温度：研究表明，GLM能在极宽的温度范围（如-10°C至800°C）内保持有效润滑。其润滑机制随温度变化而演变：在室温及低温下，主要依赖金属氧化物膜润滑；随着温度升高（如400°C），摩擦界面会发生化学反应，生成纳米级的FeGa₃晶体，与富镓膜协同实现固-液复合润滑，显著降低摩擦系数；但当温度过高（如600-800°C），FeGa₃晶粒粗化，并可能形成更大的多金属金属间化合物颗粒，导致磨粒磨损加剧，润滑性能下降。 * 载荷：与传统润滑剂不同，GLM在极高载荷下（如10 kN）反而表现出更优的润滑性能，摩擦系数可低至0.05-0.06。这归因于其极高的导热性能能够快速消散摩擦热，同时在高载荷/高温下易于形成低摩擦系数的FeGa₃摩擦膜，二者协同作用使其成为一种优异的极压润滑剂。然而，在低载荷下，由于润湿性差，其抗磨损性能不佳。 * 电场/电流：GLM的高导电性使其成为理想的载流润滑剂。研究表明，施加电流（特别是低电流）有助于促进Ga在摩擦界面的吸附，抑制其氧化，促进富镓膜的形成，从而在基本不影响摩擦系数的情况下，显著降低磨损率（实验显示可降低26.5%至56%）。电流方向对摩擦系数影响不大，但对磨损率有一定影响。 * 环境气氛：氧气和湿度对GLM润滑性能至关重要。在有氧环境中，GLM表面形成的氧化物膜使其呈糊状，易于粘附在摩擦接触区，提供良好的减摩抗磨效果。在惰性气氛（如N₂）中，由于缺乏氧化膜，润滑效果变差。相对湿度也存在最佳范围，湿度过高（如RH=82%）不利于GLM粘附，导致摩擦系数升高。 * 基底材料：GLM的润滑效果强烈依赖于摩擦副的材料。它能与钢铁等材料发生有益的摩擦化学反应生成润滑膜（如FeGa₃），从而显著降低磨损。但对于自配对的钢铁摩擦副，减摩效果不明显；对于SiC/SiC陶瓷摩擦副，由于化学惰性，难以形成反应膜，润滑效果甚微。这表明，能否形成有效的摩擦化学反应膜是GLM发挥润滑作用的关键。
2. GLM的润滑机理 本文指出，GLM的润滑机理核心在于摩擦过程中在界面形成的各类薄膜。通过SEM/EDS、TEM、XPS、XRD、拉曼光谱等多种表征手段，揭示了不同条件下的主要润滑机制。 * 在室温下，主要依靠GLM自身氧化及与基底材料反应形成的金属氧化物膜。 * 在中等温度（如~200°C）下，形成物理吸附的富镓膜，改善边界润滑。 * 在高温/高载荷下，通过摩擦化学反应生成纳米级FeGa₃摩擦膜。该薄膜硬度高、承载能力强且易于剪切，能有效隔离摩擦副的直接接触，是实现优异极压润滑和高温润滑的关键。其形成是一个受温度、压力、材料成分影响的复杂过程。 * 在有氧环境下，GLM的“核（液态金属）-壳（氧化物）”结构本身具有良好的导热性和粘附性，提供有效润滑。 * 在电场作用下，电场力影响元素迁移，促进Ga的吸附和FeGa₃膜的形成。
GLM的优异润滑性能是其高导热/导电的体相特性，与界面形成的物理吸附膜（富镓膜）、化学反应膜（氧化物膜、FeGa₃膜）协同作用的结果。
3. 提升GLM润滑性能的策略 针对GLM在低载荷下润滑性不足等问题，文章总结了两种主要改进策略。 * 调控摩擦膜成分：通过机械研磨、搅拌等方法，向GLM中掺杂微量金属元素或层状无机化合物。例如，掺杂Al可将富镓膜转变为更硬的富铝膜，并将FeGa₃转化为FeAlxGa3-x，提高润滑性；掺杂Cu、Zn能改善润湿性和热导率，或促进Ga吸附；掺杂Ag可抑制氧化并形成含Ag₂O的混合膜。另一方面，掺杂六方氮化硼（h-BN）、二硫化钼（MoS₂）、二硒化钨（WSe₂）、二硒化钼（MoSe₂）等层状固体润滑剂，可以充分利用其层间易滑移的特性，与GLM实现液-固协同润滑，在摩擦界面形成由Ga、Ga₂O₃及层状化合物纳米片组成的复合保护膜，显著降低摩擦磨损。 * 表面织构技术：在摩擦副表面利用激光烧蚀等技术制备微织构（如凹坑、V形槽、人字槽、螺旋槽），可以起到储存润滑剂、产生流体动压效应、捕获磨屑等作用。研究表明，合理的织构参数（如面积比15%）能有效提升GLM润滑下的摩擦学性能。针对CT管轴承等具体应用，优化设计的收敛人字槽、螺旋槽等织构能大幅提升液态金属轴承的刚度和承载能力。
4. GLM在工程摩擦学中的应用 本部分详述了GLM在工程领域的两个主要应用方向。 * 作为功能化纳米添加剂的广泛应用：将GLM制成纳米颗粒并进行表面化学修饰，可将其作为高性能添加剂分散于多种基础润滑介质中。例如：作为锂基润滑脂的极压添加剂，显著提高其烧结负荷（Pd值），机理在于GLM添加剂既能在低载下形成氧化膜，又能在高载下提升脂的导热性并促进形成Fe-Ga摩擦膜；作为基础油（如PAO）的抗磨减摩添加剂，通过表面修饰（如使用二烷基二硫代磷酸盐、十二烷硫醇、二硫代氨基甲酸盐等）解决纳米颗粒分散稳定性问题，在摩擦中形成含Ga、In、S等元素的摩擦化学反应保护膜；作为水基润滑剂的成膜促进添加剂，通过壳聚糖或两性离子聚合物包裹的GLM纳米液滴，提高其在水中的分散性和抗氧化性，在摩擦界面沉积形成富含Ga、In、Fe及磷酸铁氧化物的保护膜，并借助聚合物的水化层，大幅改善水的边界润滑性能；作为涂层（如聚酰亚胺、环氧树脂）的导热增强填料，GLM微球在摩擦过程中释放到界面形成液态润滑膜，同时其高导热性降低了接触区温度，从而提升涂层的耐磨性。 * 作为特种轴承的直接润滑剂：GLM已成功应用于两个对润滑剂要求极为苛刻的领域。一是CT（计算机断层扫描）管轴承，其旋转阳极需要在高温、高真空、导电且不污染真空环境的条件下工作，GLM的高导热、导电和辐射稳定性使其成为理想选择。通过在其轴承表面设计优化的人字槽、螺旋槽等织构，可以进一步提升承载能力和运行稳定性。二是核能系统（如核主泵）的磁流体动力轴承，其中导电的液态金属（如钠或GLM）在磁场作用下有效粘度增加，从而提升轴承的承载能力，这对于核电站主回路系统的安全可靠运行至关重要。
论文的意义与价值 本文是一篇全面、系统且深入的综述，具有重要的学术价值和工程指导意义。 1. 系统性总结：填补了近年来缺乏GLM摩擦学系统性综述的空白，将分散的研究成果进行了有机整合，为研究者提供了清晰的知识图谱和研究脉络。 2. 机理深度剖析：不仅总结了现象，更深入阐释了温度、载荷、电场、气氛等多因素影响下GLM的润滑机理，强调了界面薄膜（尤其是FeGa₃摩擦反应膜）形成与演化的核心作用，深化了对这一特殊润滑体系的理论认识。 3. 技术路径梳理：系统归纳了通过成分调控（元素/化合物掺杂）和表面工程（织构技术）提升GLM润滑性能的有效策略，为后续性能优化研究指明了方向。 4. 应用前景展望：详细展示了GLM作为纳米添加剂在各种润滑介质中的多功能应用，以及其在CT轴承、核能轴承等极端工况下的直接应用实例，有力论证了其工程实用价值和应用潜力。 5. 未来方向指引：在结论与展望部分，明确指出了未来研究的重点，包括：系统研究GLM成分比例及微量元素对其性能的影响，开发抗氧化、抗腐蚀、耐磨的GLM新材料；深入探究并主动控制具有抗磨损性能的摩擦膜的形成机制；加强GLM在机械摩擦部件（尤其是极端环境下的部件）中的实际应用研究，推动其从实验室走向更广泛的工程实践。
总之，这篇综述确立了GLM作为一种面向未来极端工况的特殊润滑剂的重要地位，为该领域的深入研究和技术开发奠定了坚实的理论基础，并描绘了清晰的应用蓝图。