石墨及類金剛石碳薄膜是一類重要的固體潤(rùn)滑材料，在大氣中具有優(yōu)異的潤(rùn)滑耐磨性能，但該類材料在高真空環(huán)境中快速失效，從而嚴(yán)重制約了其在空間領(lǐng)域的應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所磨損與表面工程課題組多年來致力于空間潤(rùn)滑材料的研究。最近，他們發(fā)現(xiàn)二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以很好地解決石墨長(zhǎng)期以來面臨的真空潤(rùn)滑失效問題。石墨烯是石墨層狀結(jié)構(gòu)的基本組成單元，它將石墨的三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S薄片結(jié)構(gòu)。由于二維結(jié)構(gòu)面上具有強(qiáng)的大離域π作用，二維的石墨烯薄片可以在π-π作用下自發(fā)形成定向排列的層狀結(jié)構(gòu)，從而避免了多晶石墨雜亂堆積以及棱面懸鍵暴露的問題。在摩擦過程中，石墨烯納米薄片間距離變近，摩擦界面形成了高度有序、平直的層狀定向結(jié)構(gòu)，平行層面間具有弱的范德華力，層間滑移起到主導(dǎo)作用，使其在宏觀接觸狀態(tài)下展現(xiàn)出超低的摩擦系數(shù)。石墨烯層面具有極高的力學(xué)強(qiáng)度，不易被破壞，低摩擦狀態(tài)得以長(zhǎng)期維持，磨損極小。同時(shí)石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性，這一研究結(jié)果為發(fā)展新型的超低摩擦、導(dǎo)電導(dǎo)熱一體化空間潤(rùn)滑薄膜奠定了基礎(chǔ)（Applied physics letters 110(2017) 073101）。

在此基礎(chǔ)上，他們將石墨烯結(jié)構(gòu)引入到非晶碳薄膜中，利用外場(chǎng)誘導(dǎo)生長(zhǎng)的方法，以石墨為磁控濺射靶源，高純甲烷和氬氣為反應(yīng)氣源，在外場(chǎng)（包括磁場(chǎng)、電場(chǎng)、催化劑、高活性等離子體等）綜合誘導(dǎo)條件下形成石墨烯靶面前驅(qū)物，然后再被以分子、原子或原子團(tuán)簇的形式濺射到碳膜中，形成具有石墨烯中程有序納米結(jié)構(gòu)的碳基薄膜材料。該薄膜的真空摩擦學(xué)性能獲得極大突破，摩擦系數(shù)超低（小于0.01），磨損壽命大幅提升，目前文獻(xiàn)報(bào)道的最大值為1×105轉(zhuǎn)，在相同測(cè)試條件下，該薄膜達(dá)到8.5×105轉(zhuǎn)，提高了近一個(gè)數(shù)量級(jí)（ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 6639）。科研人員進(jìn)一步通過梯度過渡層、表面織構(gòu)等表/界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功解決了薄膜內(nèi)應(yīng)力問題以及在各種基材的牢固結(jié)合等技術(shù)難題，極大地推動(dòng)了碳膜作為固體潤(rùn)滑材料在空間領(lǐng)域的應(yīng)用 （RSC advances 5 (2015) 8904, Tribology International 95 (2016) 298; 101(2016) 395; and 71 (2014) 82, Tribol. Lett.64 (2016) 24; 52 (2013) 371; and 49 (2013) 47, J. Vac. Sci. Technol. A 34 (2016) 031504, Vacuum 115 (2015) 23-30, J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (2014) 235301 and 46 (2013) 425301, Surf. Coat. Technol., 236 (2013) 438, Proc. Inst. Mech. Eng. Part J-J. Eng. Tribol., 227(2013) 729, Appl. Surf. Sci., 284 (2013) 165-170）。

該系列研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51405474、51472250、U1637204和51275509）、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃2013CB632300）、中科院“西部之光”西部青年學(xué)者A類計(jì)劃和“青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)”人才培養(yǎng)項(xiàng)目（2016368）的長(zhǎng)期支持。

 

石墨烯材料優(yōu)異的真空摩擦學(xué)性能 

 

石墨烯自形成高定向?qū)訝钅Σ两缑?nbsp;

 

外場(chǎng)誘導(dǎo)生長(zhǎng)石墨烯納米結(jié)構(gòu)碳膜 

 

石墨烯納米結(jié)構(gòu)碳膜在真空下的長(zhǎng)壽命、超潤(rùn)滑性能