Page 141 - 《摩擦学学报》2021年第4期

584 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

摩擦在日常生活中无处不在，影响着与人们生活 滑的晶面非公度接触时静摩擦力有可能为零的状态.
息息相关的交通运输、机械加工和生物化工等各个领 非公度指两个晶面的晶格常数和取向并不完全匹配
[12]
域 [1-2] . 例如在机械系统中，发动机、轴承、齿轮及液压 的接触状态[见图1(a~b)] ，此状态下两个界面相对滑
阀门等零部件之间普遍存在摩擦和磨损. 据粗略估 动所需要的力非常小. 超润滑概念的最初提出是基于
计，摩擦引起全世界1/3的一次性能源消耗，而60%零 一种非常理想的状态，实际应用中并未被证实. 直到
部件损坏是由磨损引起的 [3-5] ，由两者导致的直接经济 2004年Dienwiebel等 [13] 采用带有力传感器的探针设
损失占全国GDP的5%~7%左右. 若按5%计算，2019年 备，用粘在针尖上的石墨片在平整的高定向热解石墨
我国因摩擦、磨损导致的损失就高达4.95万亿元. 因 (HOPG)表面滑动，发现当石墨片和HOPG呈非公度取
此，通过润滑材料技术有效降低摩擦、减小(或避免)磨 向时，摩擦力几乎为零，从而证实了超润滑的真实存
损、提高工作效率和延长设备寿命，可实现能源与资 在. 目前，通常将相互接触的滑动固体表面间摩擦系
源的节约，具有极高的社会价值和经济价值 [6-8] . 数低于0.01的状态称为超滑. 超滑的发现为摩擦磨损
[11]
1990年日本科学家Hirano等 [9-10] 和Sokoloff 分别 问题的解决带来了根本途径，随即成为摩擦学的新研
从理论上预测了超润滑现象的存在，即两个原子级光 究领域.

(a) (b) Load Load
Friction
force

(c)

H-terminated
Super-hydrogenated
(d) Sliding DLC surfaces C atoms
(e) (f)

[12]
Fig. 1 Diagram of commensurate (a，c) and incommensurate (b，d) ；(e~f) sliding
[14]
contact interface of hydrogen terminated a-C：H surfaces
[12]
图 1 晶格的公度(a，c)和非公度(b，d)示意图 ；(e~f)高度氢化非晶碳钝化机理 [14]

sp 3
目前具有超滑特性的材料可分为两类：以二硫化
钼、石墨以及类金刚石碳薄膜(DLC)为代表的固体超
滑材料 [15-16] ，聚合物分子刷和甘油混合溶液等为代表
ta-C ta-C:H
的液体润滑材料. 在性能各异的减摩抗磨材料中，
Highly hydrogenated
2
3
DLC是一类含有sp 和sp 杂化碳原子的非晶碳薄膜总 a-C:H
[17]
称，Jacob等 根据材料特性绘制了不同结构和组成的 Sputtered HC polymers
a-C(:H)
含氢碳薄膜三元相图，如图2所示. 按照氢组分划分，
No films
DLC可分为无氢碳薄膜和含氢碳薄膜两类. 无氢碳薄
Nanostructural
膜包括四面体非晶碳(tetrahedral amorphous carbon)， carbon
sp 2 H
玻璃碳(glassy carbon)；含氢碳薄膜包括含氢非晶碳
Fig. 2 Ternary phase diagram of various DLC films
(hydrogenated amorphous carbon)，含氢四面体非晶碳
图 2 类金刚石碳薄膜三元相图
(hydrogenated tetrahedral amorphous carbon)以及类聚
[18]
合物碳(polymer-like carbon) . 其中类聚合物碳薄膜 润滑特性的DLC. 同时，随着向应用领域的扩展，
在很多文献中被称之为高度氢化非晶碳(highly hydro- DLC薄膜摩擦行为也受到诸多的因素制约 [19-20] ，对环
genated amorphous carbon)，氢含量通常高于40%，能 境气氛低敏感度且摩擦系数极低的特殊纳米结构碳
在真空或惰性气氛下实现超滑，是最早报道的具有超 薄膜(类富勒烯、类石墨及类洋葱)相继问世 [21-25] ，各种