石墨及類(lèi)金剛石碳薄膜是一類(lèi)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(lèi)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)域的應用。
近日，中科院發(fā)現二維石墨烯結構可以很好地解決石墨長(cháng)期以來(lái)面臨的真空潤滑失效問(wèn)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?yōu)槎S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(fā)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(wèn)題。
石墨烯材料優(yōu)異的真空摩擦學(xué)性能
在摩擦過(guò)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(guān)接觸狀態(tài)下展現出超低的摩擦系數。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(cháng)期維持，磨損極小。
石墨烯自形成高定向層狀摩擦界面
同時(shí)石墨烯具有優(yōu)異的導電導熱特性，這一研究結果為發(fā)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(chǎng)誘導生長(cháng)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(chǎng)誘導生長(cháng)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(chǎng)（包括磁場(chǎng)、電場(chǎng)、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(cháng)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(gè)數量級。
科研人員進(jìn)一步通過(guò)梯度過(guò)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(wèn)題以及在各種基材的牢固結合等技術(shù)難題，極大地推動(dòng)了碳膜作為固體潤滑材料在空間領(lǐng)域的應用。
資料來(lái)源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所。
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