为大国重器铸就润滑“护身铠甲”

2026-03-13 14:09

张俊彦（右）观察实验结果

人类应用摩擦的历史可上溯至钻木取火。日常生活中，摩擦无处不在，但过度的摩擦却会带来能源消耗与设备磨损。据统计，全球约1/3的一次能源被摩擦消耗，每年因磨损引发的机械零部件失效令全球装备损失高达数万亿美元。从汽车发动机的高效运转到航天火箭的精准发射，从船舶舰艇的深海航行到高铁列车的风驰电掣，润滑与防护科技好似“护身铠甲”，守护大国重器装备运动系统的可靠性、效率与寿命，是现代工业和战略高技术发展的重要支撑。在兰州，一位科学家深耕润滑与防护科技领域30余载，揭示摩擦表界面微纳结构演化机制及纳米材料量子摩擦机理，突破超润滑固体薄膜及关键装备研制和工程应用等关键技术，为我国装备制造业筑起“防护屏障”。他，就是不久前获得2025年度何梁何利基金科学与技术创新奖的中国科学院兰州化学物理研究所研究员、博导张俊彦。
放弃美国优厚待遇归国
张俊彦是土生土长的兰州人，1968年生于榆中。1990年自兰州大学化学系本科毕业之后，进入中国科学院兰州化学物理研究所做有机高分子材料研究，1999年在该所获得博士学位。读博时转入润滑学科，师从薛群基院士和刘维民院士，研究方向为分子结构与摩擦化学的相关性。“当时国内的科研条件、技术，特别是原创性的思想与发达国家还是有差距的”，抱着“出去看一看”的想法，博士毕业后，张俊彦2000年3月至2005年7月在美国加州大学伯克利分校/伯克利劳伦斯国家实验室、阿拉巴马大学、莱斯大学做博士后研究。其后，在美国阿贡国家实验室从事合作研究。之后，回到兰州化物所。
“为什么选择放弃美国的优厚待遇回兰州？”张俊彦答，“梁园虽好，非久恋之家”，身处美国时常生出“异乡异客”之感。“出国不是目的，回国才是。出国只是为了开阔视野，拓展自己研究的领域和方向，找准国际合作的可能性，避免‘闭门造车’。”
张俊彦认为，做科研任何时候最缺的就是思想，必须先想好“做什么”。没目的地做，做久了会失去正向反馈，消磨自信心。“从我2000年出国时到现在的26年间，国内科研已经发生了翻天覆地的变化，从大多数技术看着别人‘跟跑’，到现在大部分已经实现了‘并跑’甚至‘领跑’。”在这当中当然离不开思想。
张俊彦在多年的思考中，明晰了“我能干啥”和“我想干啥”。
“剪裁”碳薄膜，破解发动机“卡脖子”技术
在张俊彦刚刚开始科研生涯的30多年前，国内科研条件远不如欧美发达国家，但他有句话说得好：不能因为科研平台不够好就等着吧。当时国内有许多科研院所和科研人员皆如此，先基于现有的平台开展工作，一点点“凑”出科研条件。
我国汽车工业基础薄弱，尤其是作为汽车“心脏”的发动机技术落后，其中，发动机高压共轨燃油喷射系统，是2018年《科技日报》列出的35项“卡脖子”技术之一。实际上就在《科技日报》列出此项“卡脖子”技术之时，张俊彦带领团队已经初步攻克了这道难题。这背后，是长达10多年的技术积累和攻关。
发动机高压共轨燃油喷射系统的核心挑战之一，在于2微米间隙高速高压下的摩擦熔焊和磨损泄压问题。具体到张俊彦带领团队首度破解的那个具体问题，是解决柴油发动机中这一系统的两个关键零部件严重摩擦和磨损问题。如果没有适配的润滑与防护技术，这两个部件可能一个冲程就会报废。该技术此前为国际垄断。
“从润滑角度，我们希望实现零摩擦、零磨损，但这样的理想状态无法实现，只能通过技术降低摩擦系数与磨损率，实现‘近零摩擦’‘近零磨损’，追求逼近极限。”张俊彦自回国后，全身心投入到新材料的创制中，他当时只想制备出一种薄膜材料，做到某一器件上可以实现超润滑和超低磨损，目标渐渐聚焦于分子结构酷似足球的碳60（又名富勒烯、巴基球）上。当2007年全国摩擦学大会期间了解到柴油发动机相关技术瓶颈后，张俊彦终于为他的研究找到了与国家需求的契合点。
张俊彦带领团队长期攻关，潜心研制低摩擦固体润滑薄膜材料，使其既能保持机械零部件的固有强度和尺寸特征，又能赋予零部件低摩擦、低磨损特性。他不仅提出了类富勒烯结构赋予含氢碳薄膜大气环境超低摩擦特性的学术观点，还通过能量调控，像“分子裁缝”般剪裁碳薄膜结构，率先设计制备出该薄膜，摩擦系数低于0.01（低于油脂润滑的0.05），实现了碳薄膜在大气环境下的超低摩擦。摩擦诱导形成多层同心球壳结构“洋葱碳”，在实现超润滑、超低磨损的同时，材料仍具备高硬度、高弹性，从原理上证明此路径行得通。
在此基础上，团队与一汽联合成立“汽车摩擦学联合实验室”，与南岳电控产学研精诚合作攻关，成功研制出“低摩擦固体润滑薄膜材料”，攻克了超低摩擦碳薄膜可控制备、低温下（＜150℃）轴承钢等表面的高结合力沉积、批量一致性工艺与装备一体化集成等技术难题，成功破解了共轨系统高速高压摩擦熔焊和高压柱塞泵等磨损泄压问题，实现共轨压力2200巴(即bar，1巴=10牛顿/平方厘米），发动机燃油消耗降低20.1%，排气污染物下降42.5%。该技术应用处于国际先进水平，显著提高了我国汽车发动机的核心竞争力，有力支撑我国汽车制造工业发展。
锻造“润滑盾牌”，全周期稳定守护大国重器
航天器因密封件磨损导致燃料泄漏、万吨巨轮因轴承卡死突然瘫痪……这些险情背后，是运动部件启停磨损的致命威胁。机械装备的磨损往往始于“启动瞬间”——动静摩擦系数差异导致的“爬行现象”，以及长期服役中的界面匹配失效，是部件寿命缩短的主要诱因。张俊彦团队提出了摩擦界面起始润滑与抗磨延寿技术，构建了从启动到服役的全周期防护方案。
在起始润滑阶段，团队构筑分子薄膜，缩小了摩擦副动静摩擦系数差异，有效抑制了精密机械的“爬行”问题；通过纳米晶弥散强化，将氮化钛铝（AlTiN）薄膜耐磨损性能提升10倍；创新金属掺杂与碳纳米晶尺寸调控技术，破解碳薄膜硬度与韧性相制衡难题，实现6-24吉帕硬度、40-140吉帕弹性模量的系列化薄膜制备，满足橡胶、钛合金、不锈钢等不同基材的工况需求。目前，这些技术已应用于航天、航空等高技术领域，突破了高冲击和大形变条件下橡胶表面硬质碳薄膜的强韧润滑一体化关键技术，解决了伺服机构密封件磨损泄压难题，助力“长征十二”号运载火箭首飞。
为我国高端装备装上“中国关节”
滑动轴承，作为机械运转的关键部件，其应用范围遍布海洋工程装备、能源工程、装备制造以及石油化工等领域。高端自润滑滑动轴承是各领域装备制造业的“关节”。长期以来，我国高端自润滑滑动轴承依赖进口，核心技术与产品被国外垄断，不仅成本高昂，还面临“断供”风险。张俊彦团队突破了材料基体/润滑/抗磨相界面调控、滑动轴承工况适应性设计与规模化制造等关键技术，研制了系列高耐磨自润滑材料及其滑动轴承，最终实现了高端自润滑滑动轴承的国产化和自主可控。
在金属基复合材料领域，通过相关技术，研发出铜基、高熵合金基自润滑材料，发展了系列整体型、双金属型和镶嵌型等金属基滑动轴承；其中，铜基轴承在干摩擦工况下耐磨寿命较国际同类产品提升4倍，应用于国内首台套1.6兆牛快速径锻机；金属基自润滑滑动轴承在重型燃气轮机中实现了国产化替代。
在高分子复合材料领域，建立基于化学键合的相界面调控方法，研发的模塑型自润滑衬套和滚轮轴承成功替代进口产品应用于大型飞机等大国重器，为我国高端装备装上“中国关节”。
“思想源自于视野，结果发端于目标”，张俊彦始终以国家需求为导向，以创新的思想和明确的目标，引领着科研的方向。从实验室的原子级薄膜到生产线的万吨锻压机，从汽车发动机到航天低温涡轮泵，张俊彦用行动诠释了“把论文写在祖国大地上”的初心。先后获国家科技进步奖二等奖1项、国家技术发明奖二等奖1项、省部级一等奖4项，并荣膺全国创新争先奖。授权发明专利90余件，发表论文240余篇。
如今，张俊彦正带领团队继续向更高目标迈进：研发耐超高温、超低温、多功能一体化“极端工况润滑材料”，为深空探测、跨域飞行器等前沿领域保驾护航。这位西部科学家的故事，恰如他所研究的润滑与防护材料——无声守护，用匠心让大国重器行稳致远。
兰州晚报记者何燕文/图

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