中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

    碳基薄膜能够实现超低摩擦系数和磨损率，其摩擦系数可以接近或小于0.01，达到超滑状态。通过纳米结构调控和优化，可以显著改善薄膜摩擦学性能和综合力学性能。基于现有的理论和研究基础，本论文在碳基薄膜中构建了纳米结构，制备了具有超滑性能和超低磨损的固体润滑薄膜，并获得了以下研究结果：

    1.利用高功率脉冲PECVD技术，制备了含有指纹状纳米团簇碳基薄膜。该类薄膜能够在多种实验条件下实现宏观尺度超滑。通过对磨屑的研究发现在摩擦过程中形成了石墨烯纳米颗粒；该纳米颗粒是造成指纹碳薄膜超滑的主要原因，尤其在干燥空气中，其极限摩擦系数可以达到0.0016。

    2.利用脉冲PECVD与中频磁控溅射复合技术，在加热条件下制备了多级纳米结构的类石墨碳/MoS₂多层复合薄膜。该种复合薄膜由类石墨碳层和MoS₂层组成，每个单层又分别由多层石墨烯和MoS₂片层构成。这一特殊的纳米结构，使得薄膜在大气环境下表现出宏观超滑性能，其极限摩擦系数可以低至0.004。

    3.通过高分辨透射电子显微镜和拉曼光谱，详细研究了非晶碳薄膜跑合阶段磨屑纳米结构演化与摩擦系数之间的关系。结果表明摩擦过程中形成了以非晶态纳米颗粒为核心，以石墨烯为壳层的石墨烯纳米卷（GNSs）结构。同时，摩擦系数下降与石墨烯纳米卷的形成和演化相对应，即非晶碳薄膜超低摩擦是由石墨烯纳米卷导致的非公度接触和滚动效应引起。

     4.利用电泳沉积制备了碳量子点薄膜。在沉积电压为40 V时所制备的薄膜具有最小的摩擦系数，并且碳量子点薄膜摩擦系数的变化规律与薄膜中的碳氧比密切相关。碳氧比越高，说明薄膜中碳量子点密度越高，滑移面越多，因而其摩擦系数越低。相反，当碳氧比较低时，滑移面减少，摩擦系数变大。与单晶硅表面相比较，碳量子点薄膜的摩擦系数仅为其1/20。