石墨烯基低维碳/离子液体纳米复合薄膜的构筑及微/纳摩擦学增强效应

具有滑动界面的微机电系统（MEMS）的粘着、摩擦和磨损长期困扰其发展和广泛应用。最近几年发展的新型离子液体纳米薄膜以其独特的物化性能和优良的减摩效果成为潜在的MEMS纳米润滑膜。然而，单一离子液体纳米薄膜仍然暴露出不足的抗粘和承载抗磨性。为了改善单一离子液体的摩擦学性能，本项目拟协同利用石墨烯的抗磨性，其它低维碳质材料- - C60、CNT的"分子滚珠（轴）"减摩和抗粘性，及离子液体润滑自修复性的优势，以离子液体官能化，石墨烯、C60（CNT）改性、组装为入口，重点突破石墨烯、C60（CNT）与离子液体多元稳定分散体系及可控组装体系的建立，设计和构筑出具有协同增强微/纳摩擦学效应的纳米复合薄膜体系。揭示石墨烯基低维碳/离子液体纳米复合薄膜组成、微结构与摩擦学性能之间的演化规律，建立纳米复合薄膜体系的抗粘、减摩抗磨机制和物理模型，为MEMS摩擦学问题的解决提供必要的科学基础与技术途径。

随着航空航天、精密制造、电子信息等高技术产业的迅速发展，机械部件和电子器件的微型化逐渐成为系统轻量化、节能化、智能化和集成化的主要途径。然而，这类空间微器件多处于高速、高频微振、高真空等复杂工况环境下，常常发生粘着、摩擦和磨损失效。因此，发展纳米润滑薄膜技术是降低空间微器件摩擦功耗、延长其服役寿命、提高其精度和可靠性的关键技术，也是表面工程技术领域的一个重要发展方向。本课题基于纳米润滑薄膜在设计和应用方面所面临的技术瓶颈，结合空间微器件对纳米润滑薄膜的技术要求，重点开展了石墨烯基低维碳/离子液体纳米复合薄膜的制备及其性能研究，结合类金刚石薄膜和石墨烯的抗磨性，C60 的“分子滚珠”减摩和抗粘性，及离子液体润滑和自修复性，发展了改性石墨烯/离子液体纳米复合薄膜、石墨烯/C60纳米复合薄膜、DLC/离子液体/石墨烯复合薄膜3大类具有协同增强微/纳摩擦学效应的纳米复合薄膜，循序渐进的开展了石墨烯薄膜的表面物理性能、离子液体薄膜的微/纳摩擦学性能，以及石墨烯/离子液体纳米复合薄膜的协同增强效应等研究，研究发现改性石墨烯/离子液体纳米复合薄膜中的石墨烯片承载相和流动的离子液体润滑相间的协同效应使复合薄膜表现出更高的承载能力和更好的润滑性能；石墨烯/C60纳米复合薄膜在外力的作用下，滑动界面的C60分子很容易脱附，并在烷基链间像微球轴承一样滚动，从而减小了摩擦和磨损；DLC/离子液体/石墨烯复合薄膜中的石墨烯容易在对偶表面形成早期转移膜，大幅缩短了摩擦跑合周期，最终在高真空下形成一种氟化的含油富碳转移膜，表现出很好的抗磨减摩作用。本课题研究过程中重点突破了高性能石墨烯的制备、石墨烯的自组装、石墨烯的非共价功能化和稳定分散体系建立、多元低维碳材料的多重组装、固/液协同润滑体系等关键技术，揭示了石墨烯基低维碳/离子液体纳米复合薄膜成分、微结构与摩擦学性能之间的构性关系，以及模拟空间环境下的减摩抗磨机制；建立了石墨烯基低维碳/离子液体纳米复合薄膜的延寿理论，为空间微器件摩擦学问题的解决提供必要的科学基础与技术途径。