蘭州化物所真空超潤滑碳薄膜研究獲系列進展

石墨及類金剛石碳薄膜是一類重要的固體潤滑材料，在大氣中具有優(yōu)異的潤滑耐磨性能，但該類材料在高真空環(huán)境中快速失效，從而嚴(yán)重制約了其在空間領(lǐng)域的應(yīng)用。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所磨損與表面工程課題組多年來致力于空間潤滑材料的研究。最近，他們發(fā)現(xiàn)二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以很好地解決石墨長期以來面臨的真空潤滑失效問題。石墨烯是石墨層狀結(jié)構(gòu)的基本組成單元，它將石墨的三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S薄片結(jié)構(gòu)。由于二維結(jié)構(gòu)面上具有強的大離域π作用，二維的石墨烯薄片可以在π-π作用下自發(fā)形成定向排列的層狀結(jié)構(gòu)，從而避免了多晶石墨雜亂堆積以及棱面懸鍵暴露的問題。在摩擦過程中，石墨烯納米薄片間距離變近，摩擦界面形成了高度有序、平直的層狀定向結(jié)構(gòu)，平行層面間具有弱的范德華力，層間滑移起到主導(dǎo)作用，使其在宏觀接觸狀態(tài)下展現(xiàn)出超低的摩擦系數(shù)。石墨烯層面具有極高的力學(xué)強度，不易被破壞，低摩擦狀態(tài)得以長期維持，磨損極小。同時石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性，這一研究結(jié)果為發(fā)展新型的超低摩擦、導(dǎo)電導(dǎo)熱一體化空間潤滑薄膜奠定了基礎(chǔ)（Applied physics letters 110(2017) 073101）。

在此基礎(chǔ)上，他們將石墨烯結(jié)構(gòu)引入到非晶碳薄膜中，利用外場誘導(dǎo)生長的方法，以石墨為磁控濺射靶源，高純甲烷和氬氣為反應(yīng)氣源，在外場（包括磁場、電場、催化劑、高活性等離子體等）綜合誘導(dǎo)條件下形成石墨烯靶面前驅(qū)物，然后再被以分子、原子或原子團簇的形式濺射到碳膜中，形成具有石墨烯中程有序納米結(jié)構(gòu)的碳基薄膜材料。該薄膜的真空摩擦學(xué)性能獲得極大突破，摩擦系數(shù)超低（小于0.01），磨損壽命大幅提升，目前文獻報道的最大值為1×105轉(zhuǎn)，在相同測試條件下，該薄膜達到8.5×105轉(zhuǎn)，提高了近一個數(shù)量級（ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 6639）。科研人員進一步通過梯度過渡層、表面織構(gòu)等表/界面結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功解決了薄膜內(nèi)應(yīng)力問題以及在各種基材的牢固結(jié)合等技術(shù)難題，極大地推動了碳膜作為固體潤滑材料在空間領(lǐng)域的應(yīng)用 （RSC advances 5 (2015) 8904, Tribology International 95 (2016) 298; 101(2016) 395; and 71 (2014) 82, Tribol. Lett.64 (2016) 24; 52 (2013) 371; and 49 (2013) 47, J. Vac. Sci. Technol. A 34 (2016) 031504, Vacuum 115 (2015) 23-30, J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (2014) 235301 and 46 (2013) 425301, Surf. Coat. Technol., 236 (2013) 438, Proc. Inst. Mech. Eng. Part J-J. Eng. Tribol., 227(2013) 729, Appl. Surf. Sci., 284 (2013) 165-170）。

該系列研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目（51405474、51472250、U1637204和51275509）、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃2013CB632300）、中科院“西部之光”西部青年學(xué)者A類計劃和“青年創(chuàng)新促進會”人才培養(yǎng)項目（2016368）的長期支持。

 

石墨烯材料優(yōu)異的真空摩擦學(xué)性能 

 

石墨烯自形成高定向?qū)訝钅Σ两缑?nbsp;

 

外場誘導(dǎo)生長石墨烯納米結(jié)構(gòu)碳膜 

 

石墨烯納米結(jié)構(gòu)碳膜在真空下的長壽命、超潤滑性能