类富勒烯薄膜界面动力学行为调控与超滑机理

The fullerene-like film with superlubricity behavior is potential and effective ways in energy saving and emission reduction industry areas, which has also great value in application areas in energy, environment and micro- and nano- manufacture. However, reseach on the microscopic mechanism of macroscale superlubricity is still inadequate and isn′t integrating the macroscale superlubricity behavior and the nano-friction mechanism. The aim is to explore how these nano-scale concepts can be transferred to the macroscale superlubricity of carbon films. The main focus will be on onion-like fullerene structures, which are formed by tribomechanical processes of hydrogenated carbon films. We will determine the macroscopic superlubricity behavior by friction coefficients, investigate the microscale friction behavior and evolution mechanism of fullerene-like microstructure with friction force microscope as well as in-situ high resolution transmission electron microscopy. We will analysis contribution of rotational/translational freedom degrees of individual onion-like fullerene on the microscopic scale friction by molecular dynamics simulation and probe nano-superlubricity conditions. In order to achieve a fundamental understanding of the microscopic mechanisms of onion-like fullerene films, we will further test the suitability for synergism of multiple onion-like fullerenes as well as micro- and nano- friction behavior of the fullerene-like film, reveal operation rules and implementation ways of nano-superlubricity mechanism under macroscale, also provide theoretical support for nanostructure design, preparation and application of the solid lubrication film with superlubricity behavior.

具有超滑行为的类富勒烯薄膜是有效实现工业节能减排的潜在途径，在能源、环境、微纳制造等领域具有重要的应用价值。国内外对其超滑现象背后的微观机理研究尚不够充分，未能将薄膜宏观超滑现象与纳米摩擦机制有机的统一起来。本项目针对固体薄膜宏观超滑现象，以阐释纳米尺度超滑机制如何转换为宏观尺度超滑为研究目标，以含氢碳薄膜摩擦诱导形成的类洋葱富勒烯结构为研究焦点。通过摩擦系数确定宏观超滑现象，采用原位高分辨透射电子显微镜和摩擦力显微镜，考察薄膜微观摩擦行为及在摩擦作用下类富勒烯结构演变机制。结合理论模拟通过分子动力学方法模拟分析单个类洋葱富勒烯的微观转动/滑动自由度对摩擦行为的贡献度，探讨实现纳米超滑的条件。验证多个球状类洋葱富勒烯协同机制与薄膜微纳摩擦行为匹配性，揭示纳米超滑机制在宏观尺度下的运行规律及实现途径，为超滑固体润滑薄膜结构设计制备及应用提供理论支持。

具有超滑行为的类富勒烯薄膜是有效实现工业节能减排的潜在途径，在能源、环境、微纳制造领域具有重要的应用价值。国内外对其超滑现象背后的微观机理研究尚不够充分，未能将薄膜宏观超滑现象与纳米摩擦机制有机的统一起来。本项目针对固体薄膜宏观超滑现象，以阐释纳米尺度超滑机制如何转换为宏观尺度超滑为研究目标，以含氢碳薄膜摩擦诱导形成的类洋葱富勒烯结构为研究焦点开展了一系列的研究工作，主要研究内容和结果如下：.1.采用单极脉冲电源和等离子体化学增强气相沉积（PECVD）设备对占空比大范围调节，实现了类富勒烯纳米结构从较多平直和较少弯曲的结构形貌到较少平直和较多弯曲、典型的类富勒烯纳米结构形貌的有效构筑，在低占空比下获得具有良好力学性能和超低摩擦性能的含氢类富勒烯薄膜。.2.高温诱导石墨烯纳米卷精细结构形成。低于150 ℃温度，升高温度促进石墨化，加快石墨烯纳米结构的形成，摩擦系数降低。150 ℃时，磨屑中出现较多规则的卷状石墨烯纳米结构，摩擦系数最低为0.012。200 ℃时，纳米卷状结构无序且角度尖锐，导致超低摩擦状态失效。.3.采用单极脉冲PECVD设备在单晶硅衬底上制备了含氢类富勒烯薄膜，在CSM往复式摩擦磨损试验机上考察了薄膜在大气环境下的摩擦学性能。结果表明，类富勒烯纳米结构在摩擦过程中能被激发，薄膜的低摩擦特性与类富勒烯纳米结构在摩擦过程中的结构演变有正的相关性，其在摩擦界面原位形成了纳米洋葱碳结构，其滑动/滚动效应是含氢类富勒烯薄膜薄膜具有超低摩擦特性的来源，量子化学模型进一步揭示了类富勒烯纳米结构转变为纳米洋葱碳结构的演变机制及过程。.4.采用等离子预处理和磁控溅射技术在丁腈橡胶（NBR）上沉积了Si掺杂类金刚石薄膜。结果表明，Si原子在低CH4流速(≤40 sccm)时以Si- C键形式存在，在高CH4流速(≥60 sccm)时以Si-C+Si-O-C键形式存在，在较高的载荷(3N)下，薄膜的摩擦系数最小，磨损轻微。