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    大連理工大學 Adv Sci:石墨烯涂層表面可實現宏觀超潤滑

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    • 時間:2020-03-16 12:54:22

           

           本文要點:

           在環境條件下對宏觀表面進行宏觀超潤滑,該潤滑是在新開發的由多層石墨烯(MLG)涂層的摩擦學系統上進行的。

     

           一、成果簡介

           摩擦和磨損是運動中的機械部件耗能的主要方式。為了節省能源和環境效益,超潤滑是非常需要的。宏觀上的超潤滑性以前是在特殊環境下或在彎曲的納米級表面上進行的。然而,除了在環境條件下在宏觀表面上,還沒有表現出宏觀的超潤滑性,除了在通過將水蒸氣吹入摩擦計腔中而產生的潮濕空氣中。在這項研究中,使用石墨烯涂層板(GCP),石墨烯涂層微球(GCS)和石墨烯涂層球(GCB)制造的摩擦系統。在35mN以下的空氣中以0.2mms-1的滑動速度獲得0.006的摩擦系數在已開發的GCB / GCS / GCP系統中持續1200s。據了解,首次報道了在環境條件下宏觀表面的宏觀超潤滑性。宏觀上的超潤滑機理是由于剝落的石墨烯薄片與GCS的擺動和滑動的結合所致,通過實驗測量,從頭算和分子動力學模擬得到證明。這些發現有助于將超大規模的超潤滑性與實際應用聯系起來,有可能極大地節省能源并減少對環境的二氧化碳排放。

           本文在環境條件下對宏觀表面進行宏觀超潤滑,該潤滑是在新開發的由多層石墨烯(MLG)涂層的摩擦學系統上進行的。MLG是由等離子體增強CVD(PECVD)沉積的,該等離子體由CVD驅動,在900°C時由射頻驅動在石英和二氧化硅(SiO 2)表面上,而催化劑和后轉移技術都沒有這種方法。PECVD 通過射頻功率在900°C下分解甲烷(CH 4),形成石墨烯的碳(C)源。不需要像傳統CVD中使用的金屬催化劑或導電基材。從頭算和分子動力學(MD)模擬闡明了宏觀超潤滑的基本機理。

     

           二、圖文導讀 

    圖1. 宏觀超潤滑系統的制造過程示意圖

    圖2. a)石英板,b)SiO 2粉末和c)石英球,以及石墨烯沉積后的d)GCP,e)GCS和f)GCB的照片,g–i)分別是相應的TEM圖像和j –l)分別對應拉曼光譜。(e)中的插圖是相應的SEM圖像。(j)插圖顯示了標準高質量單層石墨烯的拉曼光譜。

    圖3. a)GCB / GCS / GCP,鋼球/ MS /平板,GCB / GCP,鋼球/平板的摩擦系數,b)GCB / GCS / GCP,GCB / HOPG,鋼球/ HOPG作為時間的函數以及摩擦系數GCB / GCS / GCP為c)時間的函數和d)不同滑動頻率下的正常負載。

    圖4. a)摩擦系數與滑動距離的關系,以及石墨烯包裹的頂板在b)0.3,c)1.4,d)1.5,e)2.1,f)2.2,g)2.4處的原子構型快照, h)3.1 nm。

    圖5. a)GCB / GCP和GCB / GNS / GCP的摩擦系數與滑動距離的關系,以及附著在平板上的最上層石墨烯片在不同距離下的典型原子構型b)不使用cNS和使用GNS。a)深紅色,橙色,青色,黃色,淺藍色和深藍色指的是刮擦筆頭,筆尖上的MLG,分別包裹在板和板上的NS,NS,MLG上的MLG。b,c)根據靜水壓力對顏色進行編碼,具有正值和負值的原子分別對應于拉伸應力和壓縮應力。

     

           三、小結 

           總之,在管式爐中通過PECVD同時制造GCB / GCS / GCP摩擦學系統,其中沒有金屬催化劑和后轉移過程。在環境條件下,通過MLG涂層的平板石英板上可實現宏觀超潤滑性,其中正常載荷在0.2 mm s -1的滑動速度下從25到50 mN不等持續1200秒?;瑒雍?,通過添加GMS可以改善GCB磨損區域和GCP磨損軌跡上的缺陷,如拉曼光譜所證實的。大型超潤滑系統中GCB和GCP的磨損是最低的,與在相同滑動條件下的其他系統相比,這是很難分辨的。根據觀察到的宏觀超潤滑性的實驗條件,使用從頭算和MD模擬來闡明超潤滑的機理。發現GCS的擺動和滑動對于實現超潤滑起關鍵作用。結果為具有宏觀超潤滑性的高性能設備的設計和制造以及節能和減少對環境的排放鋪平了道路。

     

           文獻:Macroscale Superlubricity Enabled by Graphene‐Coated Surfaces

           鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.201903239

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