耐变速冲击柔性结构石墨烯薄膜低摩擦行为与机制研究

Reducing adhesion, friction and wear between moving components in micro-/nano-devices is an important issue that must be solved. In addition, impact of variable speed has become one of the main reasons to shorten the service life of micro-/nano-devices. How to decrease the impact of variable speed in on-off process is a critical factor to prolong the service life of micro-/nano-devices. Graphene, with outstanding mechanical properties and super-lubrication, has attracted tremendous attention. As a lubrication film, graphene film could provide low friction, excellent load-carrying capacity and anti-wear properties. If a flexible structure was introduced to graphene film, the impact energy of variable speed could be absorbed by the section with flexible structure. Accordingly, we proposed here for creating a series of "graphene oxide-organic molecule-graphene" films with flexible structure. The tribological behaviors and the impact resistance of the graphene film with flexible structure in on-off process will be studied. The influence mechanism of the flexible structure on the friction behaviors of graphene composite films will be evaluated. The relationship between the flexible structure and the impact resistance behaviors of graphene composite films will be investigated. The low friction mechanism of the graphene film with flexible structure under the impact of variable speed will be discussed. On this basis, a series of flexible-structure graphene lubrication films with low friction, excellent impact resistance and reliable service life will be designed and prepared.

微纳系统运动部件除了需要解决粘着、摩擦和磨损等问题，还面临启停过程中的变速冲击，如何减小微纳器件在启停过程中的变速冲击，是保证润滑薄膜长时间稳定性与高可靠性的重要因素。基于石墨烯优异的力学及超滑特性，若将石墨烯引入到微纳器件表面，可获得低摩擦和高抗磨性能，同时有望成为高承载的润滑薄膜。如果在石墨烯薄膜中引入柔性结构，在摩擦过程中，变速冲击能量可被柔性层屈服吸收，从而减小微纳器件在启停过程中对石墨烯润滑薄膜的冲击损伤。本项目旨在通过“氧化石墨烯-有机分子-石墨烯”柔性结构石墨烯润滑薄膜的可控制备，研究柔性结构石墨烯薄膜在启停变速条件下的摩擦学特性及耐变速冲击行为；探讨柔性结构对石墨烯薄膜摩擦学行为的影响机制；阐明柔性结构与石墨烯复合薄膜耐变速冲击行为的相关性；揭示柔性结构石墨烯薄膜变速冲击条件下的低摩擦机制；在此基础上发展低摩擦、耐变速冲击、长寿命的柔性结构石墨烯润滑薄膜。

表面改性被认为是减小摩擦、降低磨损、减少粘着、提高微纳电子机械系统（MEMS/NEMS）稳定性的有效手段。基于石墨烯优异的力学及摩擦学特性，将石墨烯引入到微纳器件表面，可获得低摩擦和优异的抗磨性能，同时有望成为高承载的润滑薄膜。然而，微纳系统器件在启停过程中还面临大的变速冲击，如何减小微纳器件在启停过程中的变速冲击，是保证润滑薄膜长时间稳定性与高可靠性的重要因素。如果在石墨烯薄膜中引入柔性结构，在摩擦过程中，变速冲击能量可被柔性层屈服吸收，从而减小微纳器件在启停过程中对石墨烯润滑薄膜的冲击损伤。本项目通过薄膜结构设计，以系列有机聚合物分子和石墨烯作为组装前驱体，构筑了柔性结构石墨烯薄膜。重点考察了柔性分子结构对石墨烯薄膜摩擦学行为及耐变速冲击性能的影响，探讨了柔性结构对石墨烯薄膜摩擦学行为的影响机制。研究发现：柔性有机聚合物分子增大了氧化石墨烯（GO）纳米片的间距，使薄膜形成弹性3D结构，而不是仅由GO纳米片构成的刚性3D结构，这种弹性结构有利于在摩擦过程中吸收变速冲击能量，从而提高石墨烯基复合薄膜的耐磨性和承载力。而且，多层薄膜中仍然保留了良好堆叠的GO-GO层状结构。GO片层之间的滑动有利于降低薄膜的摩擦系数。同时，摩擦作用诱导薄膜中的GO发生了结构转变，使GO转变为具有完美六元环结构的石墨烯。本课题研究过程中重点突破了柔性／刚性复合薄膜结构的设计、柔性结构石墨烯薄膜的可控制备、摩擦机制的研究等，阐明了柔性结构与石墨烯复合薄膜耐变速摩擦行为的相关性，揭示了柔性结构石墨烯薄膜变速条件下的低摩擦机制。本项目研究为设计和发展具有低摩擦、高承载、耐变速冲击、长寿命的柔性结构石墨烯润滑薄膜提供了实验基础。这类高性能固体润滑薄膜将有望应用于MEMS/NEMS，以提高微器件的长期稳定性和可靠性。