类金刚石膜结构相变、界面膜形成及超低摩擦机理

类金刚石膜超低摩擦对于微纳米器件等领域有重要的应用价值。本项目从结构相变和摩擦界面膜形成的角度，研究类金刚石膜超低摩擦的产生条件和存在机理。研究内容包括：通过分子动力学方法实现类金刚石膜超低摩擦的模拟；结合量子力学第一原理计算和实验手段，研究类金刚石膜超低摩擦产生的微观机理；揭示类金刚石膜磨合过程中摩擦界面结构相变和摩擦行为变化规律和机理；探索达到稳定超低摩擦后，表面的物理化学性质与超低摩擦力的关系；提出构筑超低摩擦表面、显著减小摩擦力的方案和实现超低摩擦的途径；探索可持续稳定超低摩擦和环境不敏感超低摩擦的实现手段。研究成果有望为解决微纳米器件中的摩擦和粘着问题提供理论支持。

本项目围绕类金刚石（DLC）膜结构相变、界面膜形成及超低摩擦机理开展了系统的理论和实验研究，研究成果对碳基材料超滑应用提供了重要的理论支持。.（1）采用分子动力学模拟方法研究了DLC膜生长和摩擦机理。发现了摩擦过程中剪切诱导键合结构转化和石墨化现象。通过原子级应力计算，发现伴随着摩擦过程，薄膜内部的高压缩应力（双向应力）显著下降，且其变化规律与结构转变具有很好的对应性。由此提出了基于剪切诱导应力弛豫的DLC膜相变机理，即双向应力弛豫是相变的驱动力，剪切作用提供了相变的激活能。.（2）揭示了基于剪切诱导石墨化的DLC膜超滑机制。发现了DLC膜剪切诱导形成双层类石墨烯界面膜结构，滑动发生在类石墨烯片层之间，获得摩擦系数最低可达0.007的超低摩擦状态，该摩擦系数比目前国际上报道的采用分子动力学模拟获得的DLC膜最低摩擦系数低一个数量级以上，且在国际上首次揭示了石墨化转移膜的原子级结构；采用基于反应力场的分子动力学模拟方法研究了磷酸体系超滑，揭示了摩擦化学反应机理和水分子界面润滑机理。.（3）研究了多层石墨烯的层间滑移和摩擦行为，建立了一维多弹簧振子模型，提出涉及滑移体横向刚度Ks、最大横向力Fmax及突滑长度a等三个重要因素的平均摩擦力模型，从而较好的揭示了石墨烯摩擦的层数依赖性，并从理论上预测了近零摩擦状态；采用引入长程色散作用的第一性原理方法建立了摩擦力和系统势能面褶皱的定量关系，势能面褶皱大小反映了体系滑移所需要越过的能垒高低，即发生滑动的难易程度。.（4）自制小型原位摩擦磨损试验机，其符合小型、轻便、接触区透光等设计要求，可以嵌入拉曼光谱仪等设备，实现了对微米尺度界面膜形成过程、键合结构和摩擦系数等进行实时同步表征。采用含氢DLC膜在干燥氩气环境下获得了稳定的超低摩擦状态，摩擦系数最低可达0.003，并实验验证了界面膜的形成对超滑的重要作用。.在Phys. Rev. B、J. Chem. Phys. C、Carbon、Nanotechnology等主流学术期刊上发表论文8篇，其中7篇为SCI检索，6篇影响因子大于3.0。项目负责人应邀在国外研究机构做学术报告3次。以项目组为核心（负责人为第三完成人，项目组成员为第一完成人）获得教育部自然科学一等奖。项目负责人入选万人计划第一批青年拔尖人才，并获2011年摩擦学最佳论文奖。