來源:蘭州化學(xué)物理研究所
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員王立平和副研究員魯志斌帶領(lǐng)的研究小組近期在高真空環(huán)境氟化非晶碳基薄膜的失效本質(zhì)和延壽方面取得新的突破。
目前，我國空間機械裝備對運動機構(gòu)提出了比以往更加苛刻的高精度、高可靠、長壽命等方面的性能要求。由于其在高真空環(huán)境下優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，氟化非晶碳基薄膜是高真空環(huán)境下理想的固體潤滑薄膜材料。但是氟化非晶碳基薄膜在高真空條件下摩擦過程中通常表現(xiàn)為瞬間突然磨損失效，且迄今為止，這種磨損失效的本質(zhì)機制仍不清楚，其磨損壽命根本無法滿足高可靠和超長壽命的苛刻要求。
蘭州化物所研究小組和烏普薩拉大學(xué)教授Jansson課題組針對氟化碳基薄膜高真空摩擦失效本質(zhì)及延壽機制開展了系列理論計算和實驗研究。3篇研究論文相繼發(fā)表在近期出版的Scientific Reports (2015, 5, 9419 和 2015, 5, 11119以及2015,5,12734)上。
高真空環(huán)境下，非晶碳基薄膜材料的摩擦學(xué)行為和摩擦接觸界面處原子尺度的信息密切相關(guān)，然而在原子尺度下原位觀察摩擦行為極為困難。運用第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬能夠掌握并理解原子尺度細(xì)節(jié)，因此是在原子尺度下深入理解氟化非晶碳基薄膜材料摩擦機制的有效工具。利用第一性原理計算和分子動力學(xué)方法，結(jié)合壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，該課題組第一次確認(rèn)在高真空條件下塑形變引起的石墨化產(chǎn)生的接觸界面間的強粘著直接導(dǎo)致了薄膜的本質(zhì)失效。此外，課題組設(shè)計的真空下氟化非晶碳基薄膜摩擦模型試驗驗證了該薄膜在高真空中的本質(zhì)失效機制是石墨化引起的界面之間的強粘著，和計算預(yù)測結(jié)果相一致。進一步的研究表明摩擦界面的C-F鍵和C-C鍵對周圍的應(yīng)力場分布和化學(xué)環(huán)境非常敏感，當(dāng)施加應(yīng)力或改變對偶材料的成鍵狀態(tài)時，與摩擦密切相關(guān)的界面電荷分布發(fā)生明顯改變，導(dǎo)致界面C-F鍵和C-C鍵的鍵長和鍵能發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響界面的穩(wěn)定性和粘著相互作用。
在此基礎(chǔ)上，研究人員成功實現(xiàn)了氟化非晶碳基薄膜在高真空條件下的超長磨損壽命設(shè)計和可控制備。通過成分設(shè)計和多層界面微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，研究人員成功設(shè)計制備了具有低內(nèi)應(yīng)力的氟化非晶碳基薄膜，通過摩擦界面調(diào)控原位生成熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的FeF2納米晶摩擦膜，避免了摩擦界面之間強的粘著，該非晶碳基薄膜在高真空下表現(xiàn)出低摩擦和超低磨損等優(yōu)良的摩擦學(xué)特性。這為進一步拓展碳基薄膜在空間技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了扎實的理論和材料體系基礎(chǔ)。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金和甘肅省杰出青年基金以及中科院卓越青年科學(xué)家培養(yǎng)計劃項目的資助。
圖1 利用第一性原理和分子動力學(xué)方法研究摩擦界面行為
圖2 利用接觸界面摩擦化學(xué)及薄膜微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)高可靠和超耐磨特性構(gòu)筑
