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(yōu)異的潤滑耐磨性能，但該類材料在高真空環(huán)境中快速失效，從而嚴重制約了其在空間領(lǐng)域的應(yīng)用。
近日，中科院發(fā)現(xiàn)二維石墨烯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的基本組成單元，它將石墨的三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S薄片結(jié)構(gòu)。由于二維結(jié)構(gòu)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(fā)形成定向排列的層狀結(jié)構(gòu)，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(yōu)異的真空摩擦學(xué)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(jié)構(gòu)，平行層面間具有弱的范德華力，層間滑移起到主導(dǎo)作用，使其在宏觀接觸狀態(tài)下展現(xiàn)出超低的摩擦系數(shù)。石墨烯層面具有極高的力學(xué)強度，不易被破壞，低摩擦狀態(tài)得以長期維持，磨損極小。
石墨烯自形成高定向?qū)訝钅Σ两缑?/span>
同時石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性，這一研究結(jié)果為發(fā)展新型的超低摩擦、導(dǎo)電導(dǎo)熱一體化空間潤滑薄膜奠定了基礎(chǔ)。
外場誘導(dǎo)生長石墨烯納米結(jié)構(gòu)碳膜
在此基礎(chǔ)上，他們將石墨烯結(jié)構(gòu)引入到非晶碳薄膜中，利用外場誘導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)條件下形成石墨烯靶面前驅(qū)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(jié)構(gòu)的碳基薄膜材料。
石墨烯納米結(jié)構(gòu)碳膜在真空下的長壽命、超潤滑性能
該薄膜的真空摩擦學(xué)性能獲得極大突破，摩擦系數(shù)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(zhuǎn)，在相同測試條件下，該薄膜達到8.5×105轉(zhuǎn)，提高了近一個數(shù)量級。
科研人員進一步通過梯度過渡層、表面織構(gòu)等表/界面結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功解決了薄膜內(nèi)應(yīng)力問題以及在各種基材的牢固結(jié)合等技術(shù)難題，極大地推動了碳膜作為固體潤滑材料在空間領(lǐng)域的應(yīng)用。
資料來源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所。
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