高真空環境類金剛石碳基薄膜摩擦機理研究獲進展

　　中國科學院蘭州化學物理研究低維材料摩擦學課題組在高真空環境下類金剛石碳基薄膜摩擦機理研究方面取得新進展。研究工作相繼發表在近期出版的ACS Appl. Mater. Interfaces (2013, 5, 5889–5893)和Carbon ( 2014, 66, 259-266) 。

　　具有優異摩擦學性能的類金剛石薄膜(DLC)是從微觀尺度的微機電系統到宏觀尺度的工程部件都具有廣泛應用的固體潤滑材料。然而，由于對DLC的摩擦機理還缺乏深入理解，難于控制DLC在不同環境中的摩擦學行為，從而極大地限制了其實際應用。研究人員從不同的角度出發提出了DLC減摩抗磨機制，包括化學吸附鈍化理論、滑行界面的石墨化理論和轉移膜理論，但是目前為止還沒有提出一個被普遍接受的摩擦機理。

　　如何找到影響DLC摩擦的關鍵因素，從而提出統一的摩擦機理，是當今DLC摩擦學研究面臨的一個重要科學難題。蘭州化物所研究人員通過對不同真空度、摩擦轉速下DLC摩擦系數的研究發現，顯著的石墨化發生在低轉速、高摩擦的情況。另外，研究發現，P/v(氣壓/轉速)影響摩擦界面碳懸鍵的鈍化狀態，從而控制DLC的摩擦系數。在相同的P/v情況下，轉速對真空環境下摩擦的影響主要是通過影響氣體對摩擦界面的鈍化作用，而不是通過影響摩擦界面的石墨化程度，即高的石墨化程度不是低摩擦系數的原因。這一結果和傳統的石墨化理論截然不同，挑戰了傳統的石墨化導致低摩擦的DLC摩擦機理，提出了摩擦界面相互作用是DLC摩擦行為的關鍵因素。通過抑制碳質轉移膜在對偶表面形成，避免純碳質滑動界面的產生，從而避免強的碳-碳跨界面相互作用，實現了低含氫DLC在高真空環境中的低摩擦、長壽命。

　　研究人員選用Al2O3、ZrO2兩種金屬氧化物陶瓷作為與碳弱相互作用的對偶材料，選用SiC和Si3N4作為與碳具有強相互作用的材料，對相關界面電子結構進行第一性原理計算模擬發現，界面間電子高度局域化或相互交疊是決定DLC表現出低摩擦或高摩擦的本質原因。通過上述研究建立了“摩擦界面電子高度局域和交疊”的DLC摩擦機理，引入分離功理論驗證了碳膜/對偶界面弱結合是提高薄膜高真空摩擦壽命的本質因素。基于摩擦界面電子作用分析印證了碳轉/對偶界面弱結合與界面間電子高度局域化引起界面間少量電子轉移有關。

　　上述研究工作得到了國家自然科學基金面上基金(11172300)和優秀青年基金(51322508)的資助。

碳/碳化物以及碳/氧化物對偶間摩擦界面電子密度圖