清华大学论文吸附性能研究

在氧或水分子存在的情况下，氢化非晶碳(a-C:H)膜超润滑性态的不稳定性甚至消失的起源至今仍有争议。近日， 清华大学的研究者从原子尺度上解决了滑动界面的摩擦化学活性的难题。 研究结果表明，气态氧分子通过碳氢键摩擦效应的表面脱氢破坏了a-C:H的减摩能力。相关论文以题为“Atomic-scale insights into the interfacial instability of superlubricity in hydrogenated amorphous carbon films”于3月27日发表在Science Advances。

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氢化非晶碳(a-C:H)是一个奇妙的固体润滑剂，几乎可以抵消界面摩擦表面之间的摩擦力，甚至可从宏观尺度上降低摩擦系数μ达到千分之一的水平 (即，μ~)。然而，这种特殊的超润滑现象通常出现在干燥的惰性气体、氢气氛围或超高真空环境中。它对环境中的水、氧分子等含氧反应物极其敏感，微量的以上物质就会完全破坏a-C:H膜的润滑性能。 因此，在大气环境中实现强健稳定的超润滑性仍然是一个巨大的挑战。

目前的研究重点是a-C:Hs在氧和水分子入侵下的表面和界面化学性质。一种可能的解释是通过气体吸附表面已被改性。众多工作发现，虽然大多数气体分子暴露于环境空气后只是物理地吸附在a-C:Hs上，但当一小部分被吸附的分子发生解离并形成化学键时，烃类表面很容易被氧化。因此，在原位形成了一层天然的氧化层，这与磨合阶段观察到的高摩擦密切相关。此外，与氧分子相比，吸附的水层由于具有更大的偶极相互作用和相应更大的内聚能，使其成为更强的物理屏障。在高湿度条件下，较厚水层的存在会引起滑动面之间的粘滞阻力和毛细力。

另一个关键因素是这些含氧吸附剂沿滑动界面发生的摩擦化学反应。不仅a-C:H薄膜与摩擦耦合材料之间发生了强烈的化学相互作用，而且接触表面与气体种类之间也发生了强烈的化学相互作用。在这一过程中，摩擦诱导的结构转变和材料转移通常伴随着在接触区原位形成一个新构建的摩擦层，这是决定a-C:Hs膜润滑行为的一个重要方面。

基于以上考虑，研究者使用扫描透射电镜(STEM) 和电子能量损耗能谱法(EELS)所产生的原子分辨光谱表征了受摩擦影响的接触面，以 了解原子是如何沿底部界面排列的，原子尺度结构和元素分布是如何影响a-C:H薄膜的摩擦性能的 。首先，研究者设计了单独的实验，分别从外部和内部的角度阐明氧对烃润滑基质的影响。然后，以a-C:H与裸钢摩擦为例，探讨了环境空气中异常高摩擦的基本原理。

研究结果明确表明，摩擦表面和原位形成的摩擦层的原子活动在建立坚固的摩擦界面中起到决定性作用 。相比较而言，氧掺入碳氢化合物基质中会形成一个低密度的表面剪切带，因此摩擦状态取决于氧的含量。a-C:H膜在潮湿环境下的高摩擦来自于高度氧化的摩擦层中形成的类瘤非均质结构。摩擦消失态取决于摩擦诱导的界面纳米结构及其与气体分子的物理化学相互作用。最后，通过对a-C:H的微观结构进行掺杂处理，适当的硅掺杂可以形成类似于硅的摩擦层，有效地屏蔽了湿度效应，保持了稳定的超润滑性。

图1 a-C:Hs薄膜的结构、组成、力学性能和摩擦性能。

图2 图1 (G和H)摩擦试验后a-C:Hs接触区域的表面形貌和拉曼光谱

图3 自配对a-C:H薄膜在干燥的N2和O2气体环境中的摩擦试验后的界面微观结构和表面化学(ACF-1，图1G)。

图4 自配a-C:H:O薄膜在干燥N2气体环境中摩擦试验后的表面形貌和界面微观结构(ACFO-1和ACFO-2，图1G)。

图5 湿空气中，摩擦层在a-C:H膜上滑动后在裸钢球表面形成的微观结构(ACF-1，图1H)。

图6 在潮湿空气中，防湿摩擦层在a-C:H:Si薄膜上滑动后在裸钢球表面形成的微观结构(ACF-6，图1H)。

以上研究为在复杂的环境中实现超润滑性状态提供了可能性。这些发现也可以扩展为设计其他前所未有的界面材料的新的理论知识边缘，这些材料具有之前未发现的纳米结构和定制性能。（文：水生）

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