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

空间技术的迅速发展对真空中具有超低摩擦、长寿命以及高可靠性的空间润滑材料提出了迫切的需求。含氢非晶碳膜(a-C:H)由于其真空下超低的摩擦系数(＜0.01＝、高硬度以及化学稳定等优异性能极具应用潜力，但其有限的磨损寿命是制约其广泛应用的重要原因。本论文从内应力和相变作用方面探讨了a-C:H薄膜的真空摩擦磨损失效机理，在此基础上通过对a-C:H薄膜进行表面织构、过渡层梯度界面、表面自组装石墨烯以及薄膜中程有序纳米结构等多尺度的结构设计，进一步抑制薄膜内应力和调控相结构，实现了超润滑a-C:H薄膜材料在真空环境下磨损寿命跨数量级的显著延长。主要研究结果如下：

1．针对a-C:H薄膜在真空中摩擦系数波动的现象，研究了a-C:H薄膜在不同时间段的摩擦学行为、磨痕形貌以及结构演变。提出了不同阶段a-C:H薄膜的动态摩擦磨损机理：在初始低摩擦稳定阶段，摩擦表面氢钝化机理发挥了主要作用；随着外力对碳氢键的破坏，黏着作用和内应力释放引起了摩擦系数的波动；随后在摩擦作用下，界面结构发生了类富勒烯相转变，摩擦系数重新归于平稳，但该结构并不能长期稳定存在，最终导致润滑失效。揭示了除了氢含量之外，内应力和摩擦界面相结构是影响a-C:H薄膜真空摩擦学性能的主要因素。

2. 通过梯度过渡层界面设计，在不改变a-C:H薄膜本身结构的基础上，减小了内应力，使得薄膜真空磨损寿命得到大幅延长，验证了上述提出的内应力作用机制。进一步通过结合表面激光织构技术，设计制备了具有低内应力a-C:H薄膜。优化织构密度后的a-C:H薄膜可以抑制内应力导致的脆性断裂，并且凹槽结构可有效捕捉膜屑，起到显著的真空延寿作用。

3. 研究了几种典型的碳纳米结构材料(石墨，高定向石墨，石墨烯，富勒烯)的宏观真空摩擦学性能和润滑机理。研究发现，二维石墨烯纳米材料可以在摩擦过程中自发形成高定向的层状易滑移摩擦界面结构， 突破了传统石墨和高定向石墨材料的性能缺陷，从而展现优异的宏观真空摩擦学特性。进一步在a-C:H薄膜表面自组装石墨烯，取得了良好的复合真空延寿效果。

4. 基于在反应磁控溅射过程发现的等离子体与靶面催化效应，提出了外场诱导生长制备方法，通过靶材与等离子体参数的控制，在靶面首先生成石墨烯前驱物，继而，实现了类石墨烯中程有序纳米结构在薄膜中的可控生长，该结构赋予了薄膜优异的力学以及真空摩擦学性能，其真空磨损寿命实现了跨数量级的突破。本研究中对碳膜中程有序结构调控的方法，突破了以往大部分研究仅关注短程有序结构的思路，为碳基薄膜材料结构设计与性能提升提供了一条新的有效途径。