中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究低維材料摩擦學(xué)課題組在高真空環(huán)境下類金剛石碳基薄膜摩擦機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。研究工作相繼發(fā)表在近期出版的ACS Appl. Mater. Interfaces (2013, 5, 5889–5893)和Carbon ( 2014, 66, 259-266) 。

　　具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的類金剛石薄膜（DLC）是從微觀尺度的微機(jī)電系統(tǒng)到宏觀尺度的工程部件都具有廣泛應(yīng)用的固體潤滑材料。然而，由于對DLC的摩擦機(jī)理還缺乏深入理解，難于控制DLC在不同環(huán)境中的摩擦學(xué)行為，從而極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。研究人員從不同的角度出發(fā)提出了DLC減摩抗磨機(jī)制，包括化學(xué)吸附鈍化理論、滑行界面的石墨化理論和轉(zhuǎn)移膜理論，但是目前為止還沒有提出一個被普遍接受的摩擦機(jī)理。

　　如何找到影響DLC摩擦的關(guān)鍵因素，從而提出統(tǒng)一的摩擦機(jī)理，是當(dāng)今DLC摩擦學(xué)研究面臨的一個重要科學(xué)難題。蘭州化物所研究人員通過對不同真空度、摩擦轉(zhuǎn)速下DLC摩擦系數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，顯著的石墨化發(fā)生在低轉(zhuǎn)速、高摩擦的情況。另外，研究發(fā)現(xiàn)，P/v（氣壓/轉(zhuǎn)速）影響摩擦界面碳懸鍵的鈍化狀態(tài)，從而控制DLC的摩擦系數(shù)。在相同的P/v情況下，轉(zhuǎn)速對真空環(huán)境下摩擦的影響主要是通過影響氣體對摩擦界面的鈍化作用，而不是通過影響摩擦界面的石墨化程度，即高的石墨化程度不是低摩擦系數(shù)的原因。這一結(jié)果和傳統(tǒng)的石墨化理論截然不同，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的石墨化導(dǎo)致低摩擦的DLC摩擦機(jī)理，提出了摩擦界面相互作用是DLC摩擦行為的關(guān)鍵因素。通過抑制碳質(zhì)轉(zhuǎn)移膜在對偶表面形成，避免純碳質(zhì)滑動界面的產(chǎn)生，從而避免強(qiáng)的碳-碳跨界面相互作用，實(shí)現(xiàn)了低含氫DLC在高真空環(huán)境中的低摩擦、長壽命。

　　研究人員選用Al2O3、ZrO2兩種金屬氧化物陶瓷作為與碳弱相互作用的對偶材料，選用SiC和Si3N4作為與碳具有強(qiáng)相互作用的材料，對相關(guān)界面電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行第一性原理計算模擬發(fā)現(xiàn)，界面間電子高度局域化或相互交疊是決定DLC表現(xiàn)出低摩擦或高摩擦的本質(zhì)原因。通過上述研究建立了“摩擦界面電子高度局域和交疊”的DLC摩擦機(jī)理，引入分離功理論驗(yàn)證了碳膜/對偶界面弱結(jié)合是提高薄膜高真空摩擦壽命的本質(zhì)因素。基于摩擦界面電子作用分析印證了碳轉(zhuǎn)/對偶界面弱結(jié)合與界面間電子高度局域化引起界面間少量電子轉(zhuǎn)移有關(guān)。

　　上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上基金（11172300）和優(yōu)秀青年基金（51322508）的資助。