清華新聞網(wǎng)8月27日電 近日，清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)在結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了由石墨和類(lèi)金剛石薄膜組成的結(jié)構(gòu)超滑接觸體系，在大氣環(huán)境和2.5 m/s的相對(duì)滑動(dòng)速度下實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)108 km距離的無(wú)磨損滑動(dòng)，為發(fā)展基于結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的器件奠定了基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)超滑（Structural Superlubricity）指的是兩個(gè)完全接觸的固體表面在滑動(dòng)過(guò)程中，保持幾乎為零的摩擦力和零磨損的狀態(tài)。
（a）實(shí)驗(yàn)裝置照片；（b）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（c）石墨片與基底接觸的表面在滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)后的光學(xué)顯微鏡圖像；（d）拉曼光譜表征結(jié)果；（e）類(lèi)金剛石薄膜上滑道所在區(qū)域形貌的原子力顯微鏡表征結(jié)果。
持久和耐用的產(chǎn)品是長(zhǎng)久以來(lái)人類(lèi)追求的目標(biāo)之一。然而，無(wú)處不在的磨損大大限制了產(chǎn)品的壽命。無(wú)限壽命的運(yùn)動(dòng)器件目前還只停留在科學(xué)幻想中。在當(dāng)代工業(yè)社會(huì)里，約80%的器件失效是由磨損引起，這帶來(lái)了巨額經(jīng)濟(jì)損失、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染。在微米尺度，由于表面效應(yīng)十分顯著，因此相比宏觀(guān)器件，微米器件的磨損現(xiàn)象更加嚴(yán)重。傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方法（如使用潤(rùn)滑油）在微米器件中往往難以使用，這使得很多精妙設(shè)計(jì)的器件難以走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。例如，1988年加州伯克利大學(xué)研發(fā)的歷史上第一個(gè)微米馬達(dá)，啟動(dòng)后很快就因?yàn)槟p而失效了。
2012年，鄭泉水團(tuán)隊(duì)第一次在大氣環(huán)境中，以m/s級(jí)的滑動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑，為上述瓶頸問(wèn)題的解決帶來(lái)了曙光。2019年，在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府支持下，鄭泉水領(lǐng)銜建立了全球第一個(gè)結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)研究機(jī)構(gòu)——深圳清華大學(xué)研究院超滑技術(shù)研究所，大大加速了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的研究和研發(fā)。
在本研究中，研究者將微米尺度石墨片粘接在了探針前端，通過(guò)納米操作手操作石墨片與一塊盤(pán)片上的原子級(jí)光滑的類(lèi)金剛石薄膜接觸。石墨片位置固定，盤(pán)片的轉(zhuǎn)動(dòng)使得石墨片與類(lèi)金剛石薄膜間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。光學(xué)顯微鏡可以實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)石墨片在盤(pán)片上的滑動(dòng)狀況。
研究者將石墨片的滑動(dòng)速度控制在2.5 m/s，對(duì)石墨片進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)12.5小時(shí)共計(jì)108 km的滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)?；瑒?dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，研究者對(duì)石墨片滑動(dòng)面上的中心區(qū)域和四周進(jìn)行了拉曼光譜表征，沒(méi)有探測(cè)到D峰。這意味著在108 km的超長(zhǎng)距離滑動(dòng)后，石墨的滑動(dòng)面依然沒(méi)有磨損。研究者還對(duì)盤(pán)片上的滑道用原子力顯微鏡進(jìn)行了形貌表征，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何磨損痕跡。
研究者進(jìn)一步研究了石墨片在類(lèi)金剛石薄膜上的摩擦力隨正壓力變化的關(guān)系。觀(guān)察到它們之間的摩擦應(yīng)力僅為0.02 MPa左右 (正壓力為40微牛)，且微分摩擦系數(shù)約為0.005。當(dāng)正壓力大于30微牛后，摩擦系數(shù)也為千分之一量級(jí)。石墨片可以看成由許多層石墨烯堆疊而成。石墨烯是范德華二維材料，其與類(lèi)金剛石之間的相互作用力為較弱的范德華力，這可能是它們之間的摩擦力極低的原因。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究者還進(jìn)一步測(cè)量了石墨片與其它六種材料（硅、藍(lán)寶石、云母、氧化硅、氧化鋁、氧化鉿，它們與石墨片之間均為范德華作用）間的摩擦系數(shù)，結(jié)果顯示摩擦系數(shù)均在千分之一量級(jí)，處于超滑狀態(tài)。通過(guò)理論計(jì)算，研究者還發(fā)現(xiàn)石墨片與這些材料間的接觸狀態(tài)是全接觸。這種全接觸的狀態(tài)避免了應(yīng)力集中、邊緣效應(yīng)等可能破壞超滑狀態(tài)的因素。
綜合各項(xiàng)證據(jù)，研究者認(rèn)為，界面的范德華相互作用、表面的原子級(jí)光滑、石墨烯面內(nèi)極高的強(qiáng)度、以及全接觸狀態(tài)，共同導(dǎo)致了石墨片與類(lèi)金剛石薄膜間極其優(yōu)異的耐磨損性能。
該研究以“通過(guò)微米尺度石墨/類(lèi)金剛石薄膜超滑異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)100km的無(wú)磨損滑動(dòng)”（100 km wear-free sliding achieved by microscale superlubric graphite/DLC heterojunctions under ambient conditions）為題于2021年6月24日發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）。深圳清華大學(xué)研究院和清華大學(xué)航天航空學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士后彭德利為論文第一作者，機(jī)械工程系馬明副教授和航天航空學(xué)院鄭泉水院士為論文共同通訊作者。論文合作者還包括鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)的王進(jìn)博士、姜海洋博士、趙叔吉博士、博士生吳章輝，以及田凱文博士。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab109
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
