Page 147 - 《摩擦学学报》2021年第4期
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590                                     摩   擦   学   学   报                                 第 41 卷

            2    表界面修饰非晶碳薄膜固体超滑                                提供指导.
                                                                   在此视角下我们认为DLC研究趋势可能从以下

            2.1    元素掺杂的表面改性
                                                               几个方面展开：
                对非晶碳薄膜固体超润滑设计已有理论计算报
                                                                   a. 变滑为滚，解决湿度敏感性. 滑动摩擦机理受
            道，通过分子动力学模拟对摩擦系数对a-C：H表面
                                                               限于环境，它的实现发生在真空或惰性气氛中. 基于
            H含量变化的研究发现，相较于含氢无定形碳薄膜(a-C：H)，
                                                               完美结构碳洋葱外部无悬键而湿度不敏感特性，提出
            无氢a-C薄膜中氢的引入仅仅可以提高薄膜的摩擦学
                                                               变滑为滚的超滑设计思路；在摩擦界面外加金刚石等
                                          [56]
            性能，而不能改变薄膜的固有性能 . 除H元素外，非
                                                               纳米颗粒，促使石墨烯包裹纳米颗粒的形成，实现含
            金属元素(S、Si、F和N)和金属元素(Al、Ti、W和Mo)的
                                                               有平坦石墨烯堆薄膜从真空到湿度环境下的固体超滑.
            掺杂   [57-58] 也可以改善DLC薄膜的结构，提高材料在真
                                                                   b. 变滚为滑，解决湿度依赖性. 滚动摩擦机理受
            空或惰性氛围中的摩擦学性能. 如氮掺杂无氢DLC薄
                                                               环境限制，它的实现发生在大气或者湿度气氛中. 基
            膜(CN )在真空和干燥惰性氛围中表现出低/超低摩
                  x                                            于石墨烯独特的二维纳米结构和               π π - 堆积效应，提出
            擦，该摩擦机理并不能用简单的钝化机理来解释；
                                                               变滚为滑的超滑设计思路；诱使摩擦界面形成高度有
            DLC薄膜中少量硫、氟的掺杂有利于形成键能强于C-
                                                               序平行排列的层状结构—类石墨烯结构，实现含有弯
            H的C-S和C-F键，该键在摩擦过程中难以被打断，显
                                                               曲石墨烯堆的碳薄膜从大气到真空的固体超滑.
            著提高了含氢DLC薄膜在真空下的摩擦学性能和润
                                                               参 考 文 献
                  [59]
            滑寿命 .

            2.2    有机物的界面修饰                                    [  1  ]  Zheng Quanshui, Ouyang Wengen, Ma Ming, et al. Superlubricity:
                环境中存在的H O和O 等，极易与DLC薄膜作用                           the  world  of  “ zero”   friction[J].  Science  &  Technology  Review,
                              2     2
                                                                   2016, 34(9): 12–26 (in Chinese) [郑泉水, 欧阳稳根, 马明, 等. 超润
            引起摩擦系数的波动和变化. 对于无氢碳薄膜，随着
                                                                   滑 :  “ 零 ” 摩 擦 的 世 界 [J].  科 技 导 报 ,  2016,  34(9):  12–26].  doi:
            湿度增加，-H和-OH能够饱和一部分悬键，但只能实
                                                                   10.3981/j.issn.1000-7857.2016.09.001.
            现低摩擦，并不能实现超滑. 因此采用有机摩擦修饰                           [  2  ]  Wang  Songquan,  Zhang  Dekun,  Hu  Ningning,  et  al.  The  research
            剂改善摩擦界面成为超滑实现的重要方法，在摩擦表                                progress  on  the  effect  of  frictional  heat  on  the  service  life  of  hip
            面添加丙三醇，无氢碳薄膜摩擦系数可以低至0.01以                              prosthesis[J]. Tribology, 2018, 38(3): 364–372 (in Chinese) [王崧
            下. 摩擦诱导丙三醇分解，产生包含有机酸和水的纳                               全, 张德坤, 胡宁宁, 等. 摩擦热对髋关节假体服役寿命影响机制
                        [60]
            米厚度润滑层 . Kuwahara等采用ta-C/ta-C摩擦副，以                     的研究进展[J]. 摩擦学学报, 2018, 38(3): 364–372]. doi: 10.16078/
                                                                   j.tribology.2018.03.015.
            未饱和的油酸和丙三醇为润滑剂，由于两种反应活性
                                                               [  3  ]  Holmberg K, Andersson P, Erdemir A. Global energy consumption
            中心(-COOH，C=C)的出现，未饱和的油酸会吸附在
                                                                   due  to  friction  in  passenger  cars[J].  Tribology  International,  2012,
            ta-C表面，滑动过程作用力诱导发生一系列分解反应，                             47: 221–234. doi: 10.1016/j.triboint.2011.11.022.
            形成H、-OH和-C-O-C-等钝化基团，钝化薄膜表面，同                      [  4  ]  Holmberg  K,  Andersson  P,  Nylund  N  O,  et  al.  Global  energy
            时丙三醇的三个-OH会与ta-C表面发生作用，在ta-C薄                          consumption  due  to  friction  in  trucks  and  buses[J].  Tribology
                                             [61]                  International, 2014, 78: 94–114. doi: 10.1016/j.triboint.2014.05.004.
            膜表面形成超低摩擦层，从而产生超滑 .

                                                               [  5  ]  Scharf  T  W,  Prasad  S  V.  Solid  lubricants:  a  review[J].  Journal  of
            3    碳薄膜的发展趋势及展望                                       Materials Science, 2013, 48(2): 511–531. doi: 10.1007/s10853-012-
                                                                   7038-2.
                随着DLC向应用领域的扩展，它在机械、汽车、光
                                                               [  6  ]  Spear J C, Ewers B W, Batteas J D. 2D-nanomaterials for controlling
            学、生物医学和航空航天等领域具有广泛应用前景，                                friction  and  wear  at  interfaces[J].  Nano  Today,  2015,  10(3):
            开展DLC固体超滑理论研究，并扩展DLC可实现超滑                              301–314. doi: 10.1016/j.nantod.2015.04.003.
            的种类范围，将具有重要的科学意义和工程价值.                             [  7  ]  Berman  D,  Erdemir  A,  Sumant  A  V.  Graphene:  a  new  emerging
                基于前期研究工作和DLC最新研究进展，本文作                             lubricant[J].  Materials  Today,  2014,  17(1):  31–42.  doi:  10.1016/
                                                                   j.mattod.2013.12.003.
            者面向贫氢非晶碳薄膜体系，提出从滚-滑角度认识
                                                               [  8  ]  Li  Jinjin,  Luo  Jianbin.  New  technology  for  human  getting  rid  of
            无序界面无钝化或者钝化不足情况下的摩擦机理，包
                                                                   friction:  superlubricity[J].  Chinese  Journal  of  Nature,  2014,  36(4):
            括滑动机理、滚动机理、滚动-滑动共存，为认识碳薄                               248–255 (in Chinese) [李津津, 雒建斌. 人类摆脱摩擦困扰的新技
            膜的摩擦机理提供了新角度和参考，为设计超滑材料                                术: 超滑技术[J]. 自然杂志, 2014, 36(4): 248–255].
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