清华大学Jinjin Li课题组--氧化石墨烯作为添加剂实现掺硅金刚石状碳膜的宏观尺度超润滑

由于其特殊的结构和层间弱的相互作用，包括类金刚石碳 (DLC) 和石墨烯在内的碳基材料已被证明是非凡的润滑材料。在这项工作中，通过用氧化石墨烯 (GO) 纳米片作为乙二醇中的添加剂进行润滑，在掺硅氢化非晶碳 (a-C:H:Si) 膜上实现了极端摩擦系数 (COF = 0.002)。摩擦化学反应发生在Si₃N₄表面和 a-C:H:Si 膜上，导致在Si₃N₄和a-C:H:Si表面形成二氧化硅胶体层。同时，GO纳米片在摩擦面上的物理吸附使剪切面从Si₃N₄/a-C:H:Si界面转移到GO/GO界面，进一步降低了剪切应力。最终建立了a-C:H:Si和GO纳米片协同润滑效应的机理和建模，以揭示宏观尺度超润滑的设计原理。

 Figure 1. (a) 在Si衬底上沉积了a-C:H:Si膜的横截面SEM图。(b) a-C:H:Si薄膜上的压痕力-深度曲线。(c) a-C:H:Si 薄膜的拉曼光谱。(d) a-C:H:Si 膜在 C 1s 的 XPS 光谱。(e) Si 2p 的 XPS 光谱。(f) a-C:H:Si 薄膜的 XRD 谱

Figure 2. (a) COF随时间的变化，分别是水、乙二醇和GO纳米片作为乙二醇中的添加剂进行润滑。 (b) 在长时间滑动试验中，随着 GO 纳米片作为乙二醇添加剂的润滑，COF 随时间的演变。（c）在不同的滑动速度下，以GO纳米片作为添加剂，在乙二醇中润滑的平均COF值。（d）COF值与GO纳米片浓度之间的关系。

 Figure 3. 摩擦测试后Si₃N₄表面摩擦膜和a-C:H:Si膜的横截面结构。(a-b) 分别在Si₃N₄表面和a-C:H:Si膜上形成摩擦膜的HRTEM图像。(c) 沿 (a) 中横截面分布的元素分布。(d) 沿 (b) 中横截面分布的元素分布。（e-f）分别在Si₃N₄表面和a-C:H:Si 膜上形成的摩擦膜的HRTEM图像的放大视图。

Figure 4. (a) 以GO纳米片为添加剂的a-C:H:Si膜在乙二醇中作为润滑剂的摩擦演化示意图。(b) Si₃N₄表面和a-C:H:Si膜之间的接触区示意图。(c) 边界润滑中，三种类型的剪切面。(d) 弹性流体动力润滑的示意图。

相关研究成果于2021年由清华大学Jinjin Li课题组，发表在Carbon（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.01.147）上。原文：Macroscale superlubricity of Si-doped diamond-like carbon film enabled by graphene oxide as additives。