石墨及類金剛石碳薄膜是一類重要的固體潤滑材料，在大氣中具有優異的潤滑耐磨性能，但該類材料在高真空環境中快速失效，從而嚴重制約了其在空間領域的應用。
近日，中科院發現二維石墨烯結構可以很好地解決石墨長期以來面臨的真空潤滑失效問題。石墨烯是石墨層狀結構的基本組成單元，它將石墨的三維結構轉變為二維薄片結構。由于二維結構面上具有強的大離域π作用，二維的石墨烯薄片可以在π-π作用下自發形成定向排列的層狀結構，從而避免了多晶石墨雜亂堆積以及棱面懸鍵暴露的問題。
石墨烯材料優異的真空摩擦學性能
在摩擦過程中，石墨烯納米薄片間距離變近，摩擦界面形成了高度有序、平直的層狀定向結構，平行層面間具有弱的范德華力，層間滑移起到主導作用，使其在宏觀接觸狀態下展現出超低的摩擦系數。石墨烯層面具有極高的力學強度，不易被破壞，低摩擦狀態得以長期維持，磨損極小。
石墨烯自形成高定向層狀摩擦界面
同時石墨烯具有優異的導電導熱特性，這一研究結果為發展新型的超低摩擦、導電導熱一體化空間潤滑薄膜奠定了基礎。
外場誘導生長石墨烯納米結構碳膜
在此基礎上，他們將石墨烯結構引入到非晶碳薄膜中，利用外場誘導生長的方法，以石墨為磁控濺射靶源，高純甲烷和氬氣為反應氣源，在外場（包括磁場、電場、催化劑、高活性等離子體等）綜合誘導條件下形成石墨烯靶面前驅物，然后再被以分子、原子或原子團簇的形式濺射到碳膜中，形成具有石墨烯中程有序納米結構的碳基薄膜材料。
石墨烯納米結構碳膜在真空下的長壽命、超潤滑性能
該薄膜的真空摩擦學性能獲得極大突破，摩擦系數超低（小于0.01），磨損壽命大幅提升，目前文獻報道的最大值為1×105轉，在相同測試條件下，該薄膜達到8.5×105轉，提高了近一個數量級。
科研人員進一步通過梯度過渡層、表面織構等表/界面結構設計，成功解決了薄膜內應力問題以及在各種基材的牢固結合等技術難題，極大地推動了碳膜作為固體潤滑材料在空間領域的應用。
資料來源：中國科學院蘭州化學物理研究所。
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關注中國粉體技術網官方微信（粉體技術網）
|
