碳薄膜界面摩擦催化脱氢与结构演变超滑机制

Nowadays, macroscale superlubricity of diamond-like carbon films (DLCs) are limited by themselves materials characteristic (H>40 at.%) and certain atmosphere of working environment (vacuum environment or inert gas). The surface modification of the films by composition design and structure control, causes the decrease of H and achieves superlubricity of H-poor DLCs (from 0 to 40 at.% H), but it always accompanies with the performance reduction. Unlike the surface modification method, the program will focus on frictional interface and control the structures of wear products by the introduction of metal nanoparticles and subsequent effect of metal catalysts, to in situ form graphene that is beneficial for superlubricity, and subsequently signficant reduce frictional coefficients without impacting film performances, thereby provide a method to control the friction which is not dependent of the film preparation parameters but the external effects, such as metal catalysts. And, it will also analyze catalytic dehydrogenation induced ordering transformation of carbon structures in the process of the graphene growth, discusses the friction-catalysis and superlubricity mechanism of DLCs through the perspective of friction-, catalysis- and friction catalysis-induced reconstruction, finally reveals the mechanism of friction catalytic dehydrogenation and structural evolution on the interfaces of H-poor DLCs, in order to provide an important theoretical foundation for the design of solid lubrication program from the aspect of frictional interface.

目前已发现的类金刚石碳薄膜（DLC）宏观超滑现象受限于自身特性（H>40at.%）和工作环境中特定气氛（真空或惰性气体）。通过掺杂其它元素等表面改性手段，可使氢含量降低，实现低氢DLC真空超滑，但是通常伴随着薄膜部分性能损失。本项目拟采用摩擦界面催化脱氢调控碳结构的方法，利用金属催化诱导摩擦界面碳结构有序演变，促使低氢DLC（H从0到40at.%）产生有利于超滑实现的石墨烯，在不改变薄膜整体性能前提下实现摩擦系数显著降低，从而提供一个不依赖于薄膜制备工艺而借助外部力量调控摩擦的方法，并深入解析石墨烯生长过程中催化脱氢诱导碳结构有序演变机制，从摩擦诱导重构、催化诱导重构及摩擦催化诱导重构等角度阐明其中的摩擦催化机理和超滑机理，揭示碳薄膜界面摩擦催化脱氢与结构演变超滑机制，为从摩擦界面入手设计固体超滑润滑方案提供理论基础。

本项目针对类金刚石碳薄膜（DLC）宏观超滑现象受限于自身特性（H>40at.%）和工作环境中特定气氛（真空或惰性气体）的问题，采用摩擦界面催化脱氢调控碳结构的方法，利用金属催化诱导摩擦界面碳结构有序演变，促使低氢DLC（H从0到40at.%）产生有利于超滑实现的石墨烯，在不改变薄膜整体性能前提下实现摩擦系数显著降低，从而提供一个不依赖于薄膜制备工艺而借助外部力量调控摩擦的方法。.具体研究进展如下：.1、面向贫氢非晶碳薄膜体系，提出从滚-滑角度认识无序界面无钝化或者钝化不足情况下摩擦机理，包括滑动机理、滚动机理、滚动-滑动共存，并在此基础上探讨了碳基薄膜的可能发展趋势，以及固体超滑可能的设计原则和方案。.2、研究发现通过向摩擦界面引入金属纳米颗粒的方法能促使无定形碳向石墨烯的转变，实现低氢碳薄膜在真空环境下超滑；金属表面石墨化包裹的壳层有利于减少金属和金属或者金属和碳层之间的表界面粘附力和滑动摩擦，从而有利于实现超滑。.3、石墨烯的形成源于氢诱导的机械磨损向化学磨损的转变，这导致氢化a-C的摩擦软化和纳米碎裂，从而产生碳氢化合物纳米团簇或分子。碳氢化合物纳米团簇在铜表面被吸收、组装并转化为石墨烯，从而实现了铜纳米颗粒的石墨烯封装。石墨烯封装的纳米铜颗粒减小了碳滑动面的接触面积，屏蔽了碳滑动面的金属电子效应，消除了碳-碳交叉界面的强粘附，从而在高氢a-C滑动表面达到宏观超润滑性。.该项目发现并深入解析石墨烯生长过程中催化脱氢诱导碳结构有序演变机制，揭示了碳薄膜界面摩擦催化脱氢与结构演变超滑机制，为从摩擦界面入手设计固体超滑润滑方案提供理论基础，也为实现不同碳同素异形体之间的固态转化提供了一种简便的方法。.基于现有进展，在Advanced Functional Materials, Small, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces等期刊上发表SCI论文5篇，中文核心文章1篇，授权发明专利3件。