高真空環境下氟化類金剛石碳基薄膜研究獲進展

　　中國科學院蘭州化學物理研究所研究員王立平和副研究員魯志斌帶領的研究小組近期在高真空環境氟化非晶碳基薄膜的失效本質和延壽方面取得新的突破。

　　目前，我國空間機械裝備對運動機構提出了比以往更加苛刻的高精度、高可靠、長壽命等方面的性能要求。由于其在高真空環境下優異的摩擦學性能，氟化非晶碳基薄膜是高真空環境下理想的固體潤滑薄膜材料。但是氟化非晶碳基薄膜在高真空條件下摩擦過程中通常表現為瞬間突然磨損失效，且迄今為止，這種磨損失效的本質機制仍不清楚，其磨損壽命根本無法滿足高可靠和超長壽命的苛刻要求。

　　蘭州化物所研究小組和烏普薩拉大學教授Jansson課題組針對氟化碳基薄膜高真空摩擦失效本質及延壽機制開展了系列理論計算和實驗研究。3篇研究論文相繼發表在近期出版的Scientific Reports (2015, 5, 9419 和 2015, 5, 11119以及2015,5,12734)上。

　　高真空環境下，非晶碳基薄膜材料的摩擦學行為和摩擦接觸界面處原子尺度的信息密切相關，然而在原子尺度下原位觀察摩擦行為極為困難。運用第一性原理計算和分子動力學模擬能夠掌握并理解原子尺度細節，因此是在原子尺度下深入理解氟化非晶碳基薄膜材料摩擦機制的有效工具。利用第一性原理計算和分子動力學方法，結合壓縮應力-應變關系，該課題組第一次確認在高真空條件下塑形變引起的石墨化產生的接觸界面間的強粘著直接導致了薄膜的本質失效。此外，課題組設計的真空下氟化非晶碳基薄膜摩擦模型試驗驗證了該薄膜在高真空中的本質失效機制是石墨化引起的界面之間的強粘著，和計算預測結果相一致。進一步的研究表明摩擦界面的C-F鍵和C-C鍵對周圍的應力場分布和化學環境非常敏感，當施加應力或改變對偶材料的成鍵狀態時，與摩擦密切相關的界面電荷分布發生明顯改變，導致界面C-F鍵和C-C鍵的鍵長和鍵能發生相應變化，從而影響界面的穩定性和粘著相互作用。

　　在此基礎上，研究人員成功實現了氟化非晶碳基薄膜在高真空條件下的超長磨損壽命設計和可控制備。通過成分設計和多層界面微觀結構構筑，研究人員成功設計制備了具有低內應力的氟化非晶碳基薄膜，通過摩擦界面調控原位生成熱力學和結構穩定的FeF2納米晶摩擦膜，避免了摩擦界面之間強的粘著，該非晶碳基薄膜在高真空下表現出低摩擦和超低磨損等優良的摩擦學特性。這為進一步拓展碳基薄膜在空間技術領域的應用奠定了扎實的理論和材料體系基礎。

　　上述研究工作得到了國家自然科學基金委優秀青年基金和甘肅省杰出青年基金以及中科院卓越青年科學家培養計劃項目的資助。

圖1 利用第一性原理和分子動力學方法研究摩擦界面行為

圖2 利用接觸界面摩擦化學及薄膜微觀結構設計實現高可靠和超耐磨特性構筑