45 / 2021-03-23 15:22:10

电子屏蔽赋予碳薄膜与金属异质界面固体超滑研究

碳薄膜；石墨烯；金属纳米颗粒；超滑；

  随着现代机械制造精密化、小型化发展，机械运动部件面临的摩擦磨损问题越来越突出。与此同时，含氢碳薄膜可实现相对滑动的表界面之间摩擦系数达到10^-3量级的固体超滑，将为述问题的解决带来了根本途径。目前该领域虽然取得了巨大的进展，但是仍然有许多问题亟待解决，如内应力随薄膜变厚而增大，进到导致性能下降；碳薄膜与金属基底结合力差；碳薄膜摩擦学性能通常受到实际工况的限制。

  这类问题的解决通常依赖于非金属元素的掺杂进行表面修饰（Si, N, F）和碳纳米结构的引入（如富勒烯、类石墨、石墨烯）。例如，硅和氢的掺入可使得a-C:H薄膜在跨环境条件下（N₂, Ar, H₂, O₂及湿度条件）具有超滑性能。具有类富勒烯结构的碳薄膜在大气环境中具有优异的摩擦学性能（μ~0.008）及机械性能（硬度为17-35GPa, 弹性恢复为78-90%）。尽管结构调控与表面修饰极大的改善了薄膜的摩擦学性能，但是此过程通常伴随着薄膜性能的损失，如机械性能。

  本报告独辟蹊径，通过催化的方法解决摩擦领域重要问题，通过在摩擦界面引入过渡金属催化剂（Cu, Ni）的方法以达到实现低氢碳薄膜超低摩擦的目的。将金属纳米颗粒引入到碳薄膜表面，在摩擦过程中，金属颗粒的存在诱导磨屑石墨化，促使石墨烯生成，从而在滑动作用下原位形成石墨烯包裹金属纳米颗粒，而纳米颗粒的形成在滑动过程中起到滚动轴承的作用。通过DFT模拟计算，发现石墨烯包裹金属纳米颗粒的形成可以屏蔽电子作用，当金属颗粒上包裹的壳层大于3层时，可以减少金属-碳的接触上减少粘附力和摩擦作用。该结果对金刚石碳薄膜超滑机理的认识具有重要的推动作用。