Page 142 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 李瑞云, 等: 非晶碳薄膜固体超滑设计的滚-滑原则 585

碳材料由于具有独特的力学性能、摩擦学性能等逐渐 的减摩机理.

成为固体润滑的重要研究方向.
1 摩擦机理
DLC超滑理论最早由美国Argonne国家实验室
Erdemir等提出 [26-27] . 对高度氢化非晶碳薄膜，在真空 1.1 滑动摩擦机理
或惰性气体氛围中，氢对薄膜表面起到高度钝化和防 滑动摩擦机理是指低氢碳薄膜摩擦界面中形成
护作用. 摩擦界面悬键的存在会使表、界面粘附作用 石墨烯纳米层状结构，以微观尺度面-面接触方式为
增强，而薄膜表面或体相氢的存在可有效消除薄膜表 主通过层间滑移形成低剪切通道，使摩擦系数显著降
面悬键[图1(f)]. 同时，部分碳上会键合两个氢原子，增 低. 摩擦界面只形成石墨烯结构不形成碳洋葱，即在
加表面氢密度，从而具有更好的屏蔽效应或者表界面 摩擦过程中存在只滑不滚现象.
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钝化效应[图1(e)] . 对无氢DLC薄膜，在真空或者惰 石墨由多个石墨烯层以极弱的范德华力连接构
性气体氛围中，强σ悬键暴露，与界面物质形成强共价 成，层间极易滑动使其具有作为润滑添加剂的潜力.
键；而在空气氛围(尤其潮湿空气中)，无氢DLC薄膜表 在微观和纳米尺度上，对石墨的超滑研究从未停止.
面碳会和附近3个碳原子形成σ悬键，第四个键是自由 通过将石墨烯纳米层转移到AFM探针上的实验和模
的，且存在于表面，这些键会被环境中的H O、O 和 拟研究，发现在原子尺度上石墨的超低摩擦往往出现
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H 等钝化. 从而有效降低滑动摩擦表面之间黏着的强 在两个相对旋转的石墨烯层非公度接触的情况下 [31-32] .
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度，降低摩擦系数 [28-29] . 然而，当接触面积由原子尺度增加到微观甚至宏观
最新研究表明，在高度氢化非晶碳薄膜实现超滑 时，由于摩擦的各向异性，两个石墨层间不可避免地
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进程中除了决定性的氢钝化作用外还伴随局部界面 失配变为公度接触，石墨的结构超滑失效 .
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有序 . 因此，高度氢化非晶碳薄膜超滑设计原则是 郑泉水等 通过搭建微观尺度类台阶石墨塔并
有效钝化前提下的界面有序. 但是对于无序界面无钝 观察在机械控制下的剪切作用，发现由于表面自由能
化或钝化不足的情况，钝化机理并不能起作用，单纯 的最小化，剪切石墨层可以自恢复到原始的非公度状
界面有序并不能实现超滑. 从碳薄膜相图及摩擦机制 态，从而将石墨超滑的接触面积扩展到了10 μm的尺
角度来讲，高度氢化非晶碳薄膜仅占碳薄膜种类的小部分， 寸. 同时多种方法用来提高石墨的层间滑移，如使接
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因此开展无钝化体系超滑(低摩擦)研究具有重要意义. 触区域形成多接触点 ，将石墨烯纳米层转移到探针
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基于无钝化或钝化不足碳薄膜体系的摩擦磨损 表面 及在石墨层间引入C 结构 等方法.
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性能、微/宏观结构及表面结构演变过程的相关性规 在摩擦作用下，剪切诱导石墨化并形成sp 键合碳
律，结合前人工作进展的基础上，依据我们课题组长 丰富的石墨烯纳米层状结构通常需要在高温高压下
期研究成果，本文作者提出了无钝化或钝化不足碳薄 进行. 马天宝等 [38-39] 采用分子动力学模拟研究金刚石/
膜体系的超滑实现机理：滚-滑机理. 滚-滑机理以摩擦 无定形碳薄膜对摩过程，发现摩擦过程诱导无定形碳
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界面形成的石墨烯或碳洋葱为特色，以实现摩擦过程 薄膜中原子重排，由高度无序化sp 结构向类石墨烯的
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中石墨烯等层间滑动或类富勒烯结构的滚动为目标 sp 结构转化，摩擦界面形成类石墨烯结构(图3). 同

Shearing
interface

(a) (b)

Fig. 3 Formation of graphene-like sheet by friction shearing [38]
图 3 摩擦剪切形成类石墨烯结构 [38]