类石墨/类富勒烯碳薄膜宏观超滑摩擦衍生物演化机制

The limitation of characterization techniques restricts further understanding of the true situations of the derivatives on macro tribological surfaces. It have been found that macro superlubricity in the tribological process under special conditions is closely related with frictional derivatives or products formed at the tribological surfaces. The transition (changes in shape, size, structure etc) and movement processes in the tribological process on the surfaces can affect the realization of carbon films’ superlubricity. The program will try to investigate the tribological surfaces of film wear tracks and paired wear scars for graphite-like and fullerene-like carbon films by high resolution atomic force microscope, analyze the situation of frictional derivatives (buried, embedded, or floated deeply on a surface) on tribological surfaces, obtain the information about the size, shape and quantity of frictional derivatives (graphene and carbon onions), to reveal their probable surface movement processes; investigate the structure transition and hydrogen content by electron energy loss spectroscopy, to explore the probable transition mechanism of the derivatives, finally to elucidate the effect of the transition (changes in shape, size, structure etc) and movement processes at the surfaces on the realization and life of carbon films by the combination with molecular dynamics simulation, in order to provide fundamental basis for realizing stable solid superlubricity at larger scale by tuning film structures.

目前表征手段局限性限制了对碳薄膜摩擦表面真实情况的进一步揭示。已经发现碳薄膜在特殊工况条件下的摩擦过程中宏观超滑现象与摩擦表面上形成的摩擦衍生物有着紧密关联。摩擦衍生物在摩擦表面演变（形状、尺寸和结构等变化）机制及迁移过程对碳薄膜超滑实现和寿命产生显著影响。本申请项目拟采用高分辨原子力显微镜考察类石墨/类富勒烯碳薄膜磨痕、对偶磨斑等摩擦表面真实情况，分析摩擦衍生物在摩擦表面上存在状态（即深埋、嵌入或浮于表面），获取摩擦衍生物（石墨烯和碳洋葱）的尺寸、形状和数量等信息，探讨摩擦衍生物表面迁移过程；通过电子能量损失谱进行结构相变和氢含量分析，探索摩擦衍生物演变机制，并结合分子动力学模拟最终阐明摩擦衍生物在摩擦表面上演化机制对碳薄膜超滑实现和寿命的影响机制，从而揭示碳薄膜宏观超滑机理，为调控碳薄膜结构以获得均一摩擦界面结构并实现更稳定的超滑提供理论基础。

固体润滑碳基薄膜材料在解决高精密和极端工况条件下摩擦磨损问题方面发挥了润滑油脂不可替代的作用。目前已经发现碳薄膜在特殊工况条件下的摩擦过程中宏观超滑现象与摩擦表面上形成的摩擦衍生物有着紧密关联。 本项目采用高分辨原子力显微镜考察类石墨/类富勒烯碳薄膜磨痕、对偶磨斑等摩擦表面真实情况，探讨摩擦衍生物表面迁移过程及其演化机制，揭示碳薄膜宏观超滑机理，为实现更稳定的超滑提供理论基础。.针对上述计划，项目具体开展了转移膜和摩擦衍生物的纳米结构以及其演变机制、摩擦衍生物表面迁移过程的微纳解析以及转移膜和摩擦衍生物对薄膜宏观超滑的影响机制等研究，并以此为基础，开展了利用微纳摩擦衍生物的“摩擦限域”超滑新体系和新方法探索工作。.具体进展情况如下：.1、类富勒烯结构碳薄膜随摩擦进程产生剥离于薄膜本体的碳洋葱衍生物，类石墨碳薄膜产生石墨烯衍生物，通过其形貌演变和自身转动/滑动，最终架构薄膜从微观到宏观超滑的桥梁。.2、采用高分辨原子力显微镜，阐明摩擦衍生物（石墨烯和碳洋葱）的尺寸、形状和数量等信息，结合摩擦系数变化，证实了石墨烯和碳洋葱摩擦衍生物在薄膜从微观到宏观超滑中关键作用。.3. 基于本项目发现纳米摩擦衍生物石墨烯和碳洋葱促成了宏观超滑的研究成果，项目团队开展了利用微纳摩擦衍生物的“摩擦限域”超滑新体系和新方法探索工作，即引入二维层状材料（过渡金属硫属化物）到碳膜摩擦界面上，将碳膜磨损产物（a-CWPs）裹入二维材料层间，形成TMDC/a-CWPs夹层结构；基于剪切诱导二维限域和载荷驱动石墨化的协同作用，夹层结构在磨合阶段很容易转变为石墨烯/TMDC异质结构，最终实现稳态宏观超滑（~0.006）。.基于以上进展，在Advanced Functional Materials, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces等期刊上发表SCI论文5 篇，参与编撰由美国工程院院士Ali-Erdemir, 法国里昂大学Jean-Michel Martin教授, 中国科学院院士雒建斌主编Superlubricity 2nd Edition英文书籍1章；中文核心2篇，授权专利3件。