Page 144 - 《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 587

(a) (b) 0.08
Sliding direction
F N
GLC/GLC
Counterface 0.06 Load: 4 N
Graphene/Graphene Sliding speed: 16 cm/s
sheets interaction 0.04 Atmosphere: dry N 2
Transfer film Friction coefficient
Contact area
Large-sized 0.02
Graphene sheets
Carbon film
0.00
0 1 000 2 000
Sliding cycles
Substrate

Fig. 5 (a) Diagram of sliding friction mechanism；(b) frictional behavior [42]
图 5 (a)滑动摩擦机理示意图；(b)摩擦系数图 [42]

公度接触从而降低摩擦. 即摩擦界面只形成碳洋葱不
形成石墨烯，在摩擦过程中存在只滚不滑现象.
DLC结构调控研究过程中，研究者发现了一种由
2
交联和卷曲的sp 石墨平面组成的类富勒烯碳薄膜
(FLC)，特殊的结构赋予了薄膜优异的弹性回复特性
(a) (b)
和高硬度. 类富勒烯结构使石墨烯层尺寸变短(约1 nm)，
取向多样，频繁弯曲，难以形成多层石墨烯层堆. 与
GLC相比，FLC尺寸、取向、堆积和弯曲各异. FLC可通 (c) (d)
+
+
过H 刻蚀GLC中石墨化层获得，即GLC中H 的注入使 10 nm
大面积石墨烯片层分裂为碎片，边缘大量悬键暴露，
Fig. 6 The formation of SNOS and the
而小片边缘弯曲交联为五元环以自身消除悬键，得到 structure evolution process
FLC结构，在这个过程中六元环团簇的大小、边缘悬 图 6 球状纳米颗粒的形成及其结构演变过程
键以及石墨烯片层结构对GLC向FLC结构的转变起到
3
2
1 500和1 750 ℃)，控制sp 和sp 比例，得到碳洋葱结
[44]
了关键作用 .
构，证实了在一定工况下，碳材料之间的相互转化是
通过脉冲等离子体化学气相沉积(PECVD)的方
完全可行的. 在液体润滑中，以高度石墨化的碳洋葱
[42]
法，分别在基底和对偶球表面沉积FLC ，组成摩擦对
为添加剂，发现在高达0.94 GPa下碳洋葱仍然能保持
偶面(FLC/FLC). 摩擦过程中FLC从颗粒表面向中
完整的同心sp 杂化石墨结构，并且具有良好的溶解
2
心再杂化转变为具有类石墨外壳的球状纳米颗粒
性、化学惰性和极强的硬度 [48-49] . 同时大量模拟也证实
(SNOS)，表面没有悬键的球状颗粒大量存在，使得接
2
由于能量最小化原理，有利于包裹颗粒的sp 杂化石墨
触方式在微观尺度上由面-面接触转变为点-面接触，
烯纳米卷形成，颗粒作为轴承结构在对偶面之间起作
显著降低摩擦系数，球状纳米颗粒结构及其摩擦过程
中结构演变过程如图6所示. 与GLC/GLC配偶对不同， 用，特有的滚动效应会促进低摩擦的实现 [50-51] .
FLC/FLC只有在高载荷下(8 N)才能取得低于0.01的摩 受颗粒状结构的启发，在摩擦界面碳洋葱滚动效
擦系数. 我们最新研究工作显示含氢富勒烯碳薄膜在 应指引下，通过高频双极脉冲方法在非晶碳薄膜中引
低湿度范围内摩擦界面形成碳洋葱结构，但是随着湿 入类洋葱结构，得到类洋葱碳薄膜(OLC). 在摩擦力作
度增加，碳洋葱结构逐渐消失并无定型化，摩擦系数 用下高硬度碳洋葱颗粒从无定形碳颗粒基底中剥离
[45]
也由低到高变化 . 球状纳米颗粒形成过程中，由于 出来. 当碳洋葱颗粒足够多时，碳洋葱颗粒充当第三
外部结构重构过程的限制，内部仍然是无定形结构， 体分割开两个滑动表面，滚动摩擦开始起作用，在后
但是碳洋葱结构的形成使体系具有的低剪切力，并不 继的摩擦过程中，碳洋葱团簇起到分子轴承的作用，
[46]
影响超滑的实现 . 使接触面积急剧降低，造成滚动摩擦和非公度接触，
[47]
Weingarth等 将金刚石真空退火处理(1 300 ℃、 从而在30%的湿度条件下实现超滑(0.008)(图7)，磨损