石墨和類金剛石薄膜超滑體系實現(xiàn)100 km無磨損接觸滑動

清華大學鄭泉水院士團隊利用石墨和類金剛石薄膜構成的結構超滑體系，在大氣環(huán)境和2.5 m/s的相對滑動速度下，實現(xiàn)了長達100 km距離的無磨損接觸滑動。

研究者將微米尺度石墨片粘接在探針前端，通過納米操作手操縱石墨片與一塊盤片上的原子級光滑的類金剛石薄膜接觸。實驗中石墨片位置固定，盤片的轉動會使石墨片與類金剛石薄膜間發(fā)生相對滑動。光學顯微鏡用來實時觀測石墨片在盤片上的滑動狀況。

研究者將盤片轉動的速度控制在2.5 m/s，對石墨片進行了長達12.5 h共計108 km的滑動實驗?；瑒咏Y束后，研究者對石墨片滑動面上的中心區(qū)域和四周共5個點進行了拉曼光譜表征，沒有探測到D峰。這意味著在108 km的超長距離滑動后，石墨的滑動面仍然是完好無損的。研究者還對盤片上的滑道用原子力顯微鏡進行了形貌表征，沒有發(fā)現(xiàn)任何磨損軌道和痕跡。

研究者進一步測量了石墨片在類金剛石薄膜上的摩擦力隨正壓力變化的關系，觀察到它們之間的摩擦應力僅為0.02 MPa左右(正壓力為40 μN)，且微分摩擦因數(shù)(摩擦力相對于法向力的導數(shù))約為0.005。當正壓力大于30 μN(約2 MPa)后，摩擦因數(shù)為千分之一量級。

石墨片可看成是由一張張石墨烯堆疊而成的。石墨烯是范德華二維材料，其與類金剛石之間的相互作用力為范德華作用力，這可能是它們之間摩擦力極低的原因。為了驗證這一點，研究者進一步測量了石墨片與其它六種材料間的摩擦因數(shù)(硅、藍寶石、云母、氧化硅、氧化鋁、氧化鉿，它們與石墨片之間均為范德華作用)，結果顯示其均在千分之一量級。

通過計算，研究者還發(fā)現(xiàn)石墨片與這些材料間的接觸狀態(tài)是全接觸的。這種全接觸狀態(tài)避免了應力集中、邊緣效應等可能破壞超滑狀態(tài)的因素。

綜合各項證據(jù)，研究者認為，界面的范德華相互作用、原子級光滑的表面、全接觸狀態(tài)、以及石墨烯面內(nèi)極高的強度，共同促成了石墨片與類金剛石薄膜間極其優(yōu)異的耐磨損性能。

(來源：科學網(wǎng) )