Page 143 - 《摩擦学学报》2021年第4期

586 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

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时，也有报道显示界面sp -sp 的转变进程对接触压力 下，载荷为4 N时，摩擦系数可低至0.005. 平坦石墨烯
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的变化更为敏感 [40-41] . 这种相变条件远远超过实际应 堆两端sp 结合点是摩擦界面悬键和黏度的起源，真空
用中薄膜所能承受的载荷，不仅导致薄膜易被磨损， 条件下石墨烯堆自定向作用可消除悬键，而大气环境
也可能导致基底材料碎裂，减摩耐磨性能失效. 中悬键钝化阻碍了自定向作用，超滑失效.
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我们最近工作发现在碳薄膜摩擦过程中，低温低 宋惠等 通过强外场诱导方法，利用催化剂和等
压也可促进石墨烯层状结构的形成，但是这个过程取 离子体的协同作用，将石墨烯微晶引入到无定形碳薄
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决于碳薄膜的初始结构 . 通过结构调控的方法，在 膜中，石墨烯层数可达10层，使薄膜具有中程有序的
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碳薄膜内形成sp 键合碳丰富的纳米结构，并且石墨烯 sp 团簇. 这些石墨烯微晶因自身固有层间低剪切性
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层尺寸较长(>3 nm)，取向单一，较少弯曲，易积压成 能，而自定向滑移促使摩擦界面形成石墨烯，真空环
石墨层堆. 这种结构被称为类石墨结构(GLC). 这类似 境中具有极好的润滑性能. 基于这种纳米结构的设
于晶体的种子生长法，对生长单晶石墨烯具有着极大 计，摩擦界面形成石墨烯证实了层间摩擦的存在.
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的优势. 在以往很多文献中，通常具有高sp 含量或者 总之，非晶碳薄膜需要高温高压作用才能克服摩
sp 团簇的薄膜就可以被称为类石墨结构 . 此处类石 擦界面高的剪切强度，而类石墨结构薄膜因为取向单
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墨结构定义不仅考虑sp 含量，也考虑层排列问题. 一且存在较少弯曲的石墨层堆，易形成低的剪切强度
通过脉冲等离子体化学气相沉积(PECVD)的方 通道，最终促成大尺寸石墨烯的形成. 因此，滑动摩擦
法，分别在基底材料和对偶球表面沉积GLC和GLC薄 机理中，类石墨烯层的形成是必要前提. 石墨烯纳米
膜 ，组成摩擦对偶面(GLC/GLC)，在摩擦过程中基 层的形成，使摩擦过程转化为易形成低剪切通道的滑
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底上GLC沿着滑动方向，定向诱发再杂化形成六元环 动摩擦，对摩擦降低起了关键作用(见图5). 但是滑动
团簇，碎片状的石墨烯沿着滑动方向逐渐重排为规则 摩擦机理仍然受限于环境氛围，低摩擦的实现通常发
有序的六元环基平面堆积的少层石墨烯片[见图4(b~d)]. 生在真空或惰性气氛中.

由于沿滑动方向重排和滑移，则沿着滑动方向自发形 1.2 滚动摩擦机理
成排列高度有序、剪切强度低的石墨烯层，并具有独 滚动摩擦机理是指贫氢碳薄膜摩擦界面上形成
特的二维纳米结构和 π π - 堆积效应，从而在氮气氛围 碳洋葱，在微观尺度上以点-面接触方式为主，实现非

4N+2500 8N+500 8N+1500

100 nm
100 nm
002
3-5 layer
5 1/nm
002

5 1/nm
10 nm 10 nm 10 nm 10 nm
100 nm
2D 2 860
2 580
8N+2 500 2D
Intensity/a.u. 4N+2 500 2 700 2 900
4N+2 500
8N+2 500
8N+2 500
8N+2 500
8N+2 500
8N+2 500
ongin
800 1 600 2 400 3 200
Raman shift/cm −1

Fig. 4 (a~d) Transmission electron microscopy (TEM) micrographs under different loads and sliding cycles；(e) Raman spectra [42]
图 4 (a~d)不同载荷和圈数下GLC/GLC磨屑的TEM图像；(e)拉曼谱图 [42]