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清華大學(xué)鄭泉水教授Nature Mater.: 石墨和六方氮化硼層狀異質(zhì)結(jié)的微米尺度超潤(rùn)滑

2018-08-16 11:20:06 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人分享至：

【引言】

摩擦和磨損是機(jī)械系統(tǒng)里能量損失和部件失效的兩個(gè)主要原因。傳統(tǒng)減少摩擦的方法包括液體潤(rùn)滑劑，會(huì)在強(qiáng)約束力和外界極端環(huán)境（高溫、化學(xué)污染、真空等）下失效。結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑為減少摩擦和磨損提供了一種可行的方法，這種方法主要依賴于有效地減少不對(duì)稱剛性晶體接觸的側(cè)向力。科學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)均質(zhì)石墨中的納米結(jié)構(gòu)是在十年前。經(jīng)過多年的研究，結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑在廣泛應(yīng)用的巨大阻礙主要是均質(zhì)堅(jiān)硬界面的各向異性。即使處于一個(gè)不對(duì)稱的超低摩擦的狀態(tài)，他們也會(huì)通過旋轉(zhuǎn)走向一致的高摩擦的狀態(tài)。這個(gè)問題的嚴(yán)重程度隨著接觸尺寸的不同而不同。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，清華大學(xué)的鄭泉水教授（通訊作者）課題組在微觀晶體異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)宏觀下的超潤(rùn)滑奠定了一定的基礎(chǔ)。石墨和六方氮化硼之間的界面實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在外部負(fù)載下保持一致的接觸，結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑存在。在異質(zhì)結(jié)中所觀察到的摩擦各向異性要比在其均質(zhì)部分測(cè)到的數(shù)據(jù)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。原子模擬也揭示了這兩種情況下的摩擦機(jī)理來自兩種完全不同的動(dòng)態(tài)狀態(tài)。該成果以題為“Robust Microscale Superlubricity in Graphite/Hexagonal Boron Nitride Layered Heterojunctions”發(fā)表在Nature Mater.上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置

（a）圖示用來測(cè)量石墨和六方氮化硼之間摩擦力的實(shí)驗(yàn)裝置

（b）石墨/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)的制作過程

圖2. 石墨/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)摩擦力的旋轉(zhuǎn)各向異性

圖3. 石墨/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)摩擦力旋轉(zhuǎn)各向異性的模擬

（a）圖示模擬建模（b）石墨/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)的模擬摩擦力和均質(zhì)部分的模擬摩擦力

（c,d）角度對(duì)石墨烯COM運(yùn)動(dòng)中的摩擦壓力的影響（e）石墨/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)摩擦力的角度依賴

圖4. 外界環(huán)境對(duì)石墨/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)表面摩擦力的影響

（a）不同滑動(dòng)速度下，負(fù)載對(duì)石墨/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)節(jié)界面摩擦力的影響

（b）不同負(fù)載下，石墨/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)節(jié)界面摩擦力對(duì)滑動(dòng)速度的影響

【小結(jié)】

在這個(gè)工作中，作者通過實(shí)驗(yàn)在微觀晶體異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)宏觀下的超潤(rùn)滑奠定了一定的基礎(chǔ)。石墨和六方氮化硼之間的界面實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在外部負(fù)載下保持一致的接觸，結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑存在。在異質(zhì)結(jié)中所觀察到的摩擦各向異性要比在其均質(zhì)部分測(cè)到的數(shù)據(jù)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。原子模擬也揭示了這兩種情況下的摩擦機(jī)理來自兩種完全不同的動(dòng)態(tài)狀態(tài)。

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