作者:郑泉水等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/9/9 10:35:17
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永不磨损的器件,能否走进现实?

摩擦是限制很多人造产品寿命的主要因素。在当代工业社会,约80%的器件失效都是由磨损引起的。在微米尺度,表面效应显著,磨损现象要比宏观器件更加严重。

好在,结构超滑(Structural Superlubricity)为器件的磨损问题提供了一个根本性的解决方案——在此状态下,两个完全接触的固体表面可以在滑动过程中保持几乎为零的摩擦力和零磨损状态。

最近,清华大学郑泉水院士团队利用石墨和类金刚石薄膜构成的结构超滑体系,在大气环境和2.5 m/s的相对滑动速度下,实现了长达100 km距离的无磨损接触滑动。

如图所示,研究者将微米尺度石墨片粘接在探针前端,通过纳米操作手操纵石墨片与一块盘片上的原子级光滑的类金刚石薄膜接触。实验中石墨片位置固定,盘片的转动会使石墨片与类金刚石薄膜间发生相对滑动。光学显微镜用来实时观测石墨片在盘片上的滑动状况。

研究者将盘片转动的速度控制在2.5 m/s,对石墨片进行了长达12.5小时共计108 km的滑动实验。滑动结束后,研究者对石墨片滑动面上的中心区域和四周共五个点进行了拉曼光谱表征,没有探测到D峰。这意味着在108 km的超长距离滑动后,石墨的滑动面仍然是完好无损的。研究者还对盘片上的滑道用原子力显微镜进行了形貌表征,没有发现任何磨损轨道和痕迹。

研究者进一步测量了石墨片在类金刚石薄膜上的摩擦力随正压力变化的关系,观察到它们之间的摩擦应力仅为0.02 MPa左右(正压力为40微牛),且微分摩擦系数(摩擦力相对于法向力的导数)约为0.005。当正压力大于30微牛(约2 MPa)后,摩擦系数(即摩擦力与正压力的比值)为千分之一量级。

石墨片可看成是由一张张石墨烯堆叠而成的。石墨烯是范德华二维材料,其与类金刚石之间的相互作用力为范德华作用力,这可能是它们之间摩擦力极低的原因。为了验证这一点,研究者进一步测量了石墨片与其它六种材料间的摩擦系数(硅、蓝宝石、云母、氧化硅、氧化铝、氧化铪,它们与石墨片之间均为范德华作用),结果显示其均在千分之一量级。

通过计算,研究者还发现石墨片与这些材料间的接触状态是全接触的。这种全接触状态避免了应力集中、边缘效应等可能破坏超滑状态的因素。

综合各项证据,研究者认为,界面的范德华相互作用、原子级光滑的表面、全接触状态、以及石墨烯面内极高的强度,共同促成了石墨片与类金刚石薄膜间极其优异的耐磨损性能。

该研究以“100 km wear-free sliding achieved by microscale superlubric graphite/DLC heterojunctions under ambient conditions”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。清华大学彭德利博士为论文第一作者,马明副教授和郑泉水院士为论文共同通讯作者。论文合作者还包括郑泉水教授课题组王进博士、姜海洋博士、赵叔吉博士、博士生吴章辉,以及田凯文博士。(来源:科学网)

相关论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab109

 
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