中國(guó)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(guó)空間機(jī)械裝備對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了比以往更加苛刻的高精度、高可靠、長(zhǎng)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(rùn)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(guò)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(jī)制仍不清楚,其磨損壽命根本無(wú)法滿足高可靠和超長(zhǎng)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(duì)氟化碳基薄膜高真空摩擦失效本質(zhì)及延壽機(jī)制開(kāi)展了系列理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(yùn)用第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)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(jī)制的有效工具。利用第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)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(qiáng)粘著直接導(dǎo)致了薄膜的本質(zhì)失效。此外,課題組設(shè)計(jì)的真空下氟化非晶碳基薄膜摩擦模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該薄膜在高真空中的本質(zhì)失效機(jī)制是石墨化引起的界面之間的強(qiáng)粘著,和計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果相一致。進(jìn)一步的研究表明摩擦界面的C-F鍵和C-C鍵對(duì)周圍的應(yīng)力場(chǎng)分布和化學(xué)環(huán)境非常敏感,當(dāng)施加應(yīng)力或改變對(duì)偶材料的成鍵狀態(tài)時(shí),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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了氟化非晶碳基薄膜在高真空條件下的超長(zhǎng)磨損壽命設(shè)計(jì)和可控制備。通過(guò)成分設(shè)計(jì)和多層界面微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)筑,研究人員成功設(shè)計(jì)制備了具有低內(nèi)應(yīng)力的氟化非晶碳基薄膜,通過(guò)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(qiáng)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(jìn)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(shí)的理論和材料體系基礎(chǔ)。
上述研究工作得到了國(guó)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(jì)劃項(xiàng)目的資助。
圖1 利用第一性原理和分子動(dòng)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(jì)實(shí)現(xiàn)高可靠和超耐磨特性構(gòu)筑
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標(biāo)簽: 氟化類金剛石碳基薄膜, 高真空環(huán)境

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