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类金刚石薄膜超滑的微观摩擦演化机理研究

类金刚石薄膜,超滑，碳薄膜,摩擦化学,原子力显微镜,真空

类金刚石碳膜（Diamond-like carbon, DLC）在特定条件下可实现宏观超滑（摩擦系数<0.01），在固体润滑领域具有巨大应用前景^[1]。磨合过程对DLC超滑态构筑至关重要，其诱导界面化学/结构变化及摩擦力演化的微观机理仍不清晰^[2]。为了避免暴露空气的原位表面氧化问题，本工作利用超高真空原子力显微镜（UHV-AFM）在纳米尺度单粗糙峰接触条件下实现了含氢DLC超滑，发现了界面摩擦化学-结构转变诱导的两阶段磨合过程，表现为摩擦先升高后大幅下降至超滑态^[3]。第一磨合阶段为表面自然氧化钝化层（厚度约1 nm）的去除，并伴随着碳膜本体材料在对摩针尖上形成转移膜，氧化层去除的微观机理符合应力辅助Arrhenius模型；第二磨合阶段对应碳膜界面原子结构的有序化转变并形成层状类石墨转移膜，进一步结合分子动力学模拟揭示了摩擦力演变与结构有序化转变的线性相关性，最后基于经典相变动力学理论建立了DLC界面剪切有序化的摩擦演化模型，并研究了法向载荷影响有序化转变的非线性规律。