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石墨烯:有潛力的導電空間潤滑材料
2021-01-28 13:48

       當兩個物體發生運動時,在接觸面存在著阻礙相對運動的作用,這種現象被稱為“摩擦”。摩擦伴隨著物體運動產生,并無時無刻不存在于人類的生產生活中。在某些時刻,人們希望摩擦變大,如飛機降落滑行過程中,需要增加輪胎與地面的摩擦以盡快降速;而更多的時候,摩擦則越小越好,如汽車的車軸、齒輪、發動機等傳動部件需定期補充潤滑油,以減小摩擦,降低能耗和零件磨損。在人類生活的地球環境,人們已經掌握了多種潤滑技術來控制摩擦。然而,隨著人類對空間的不斷開發和探索,發現在空間高真空環境下運動機械之間的摩擦問題變得異常復雜和嚴重,金屬表面沒有了氧化保護膜,接觸原子間具有強的相互作用力,就像我們常見的“氬弧焊”一樣牢牢地粘合到一起,使得空間機械裝備無法正常運轉。大氣環境下常用的流體潤滑技術由于真空揮發、分解等問題不適用于空間環境,固體潤滑材料和技術是目前空間潤滑采用的主要方案。 


  石墨具有層狀的晶體結構,層間為弱的范德華力相互作用,在摩擦過程中易發生層間剪切滑移,展現出了非常低的摩擦阻力。此外,石墨還具有導電、導熱、耐腐蝕、產量豐富、價格低廉等優點,作為固體潤滑材料應用極為廣泛。但在真空環境下,石墨的潤滑性能瞬間失效,磨損由此劇增,戰爭年代曾因為石墨電刷在高空的摩擦磨損失效導致了慘重的空難事故。 


  中國科學院蘭州化學物理研究所磨損與表面工程課題組多年來致力于空間潤滑材料的研究。最近,他們發現將三維的石墨多層結構拆分為僅有3至4層的二維結構(也就是石墨烯)后,其真空潤滑性能變得非常優異,摩擦系數僅為0.02,也就是說僅需要物體重量2%的推力就可以將其輕松移動。 


  研究人員進一步研究了石墨烯二維結構獨特的真空潤滑機理。石墨烯具有二維納米薄片結構,就如同一張紙頁,平面面積很大,而厚度極薄。紙頁平面上具有π電子和一定的表面相互作用力,石墨烯紙頁可以自形成平鋪結構。在縱向碾壓和橫向剪切力作用下,石墨烯納米紙頁變得更加平直、有序,形成了高度定序的層狀摩擦界面。其中紙頁與紙頁間僅具有弱的范德華分子作用力,很容易發生相對滑移,從而使其在宏觀接觸狀態下展現出超低的滑動摩擦特性。如果將石墨烯比作紙頁,那么石墨就如同由許多紙頁疊加組成的厚書。在制備過程中會雜亂無章地堆積到一起,無定序平鋪。而側面集中存在著未飽和的化學鍵,在真空環境下由于沒有氣體吸附鈍化,變得非?;顫?。在摩擦過程中,側面的活性化學鍵會與摩擦對偶面以及彼此相互之間發生強烈的粘合作用,阻礙相對運動的發生,摩擦系數很大。該研究結果突破了石墨材料長期以來面臨的真空潤滑失效的性能缺陷,有助于認識層狀結構材料的宏觀低摩擦科學本質,掀開石墨類材料在空間應用的新篇章。石墨烯是目前發現的導電性能最強的材料,結合其真空潤滑與導電一體化性能有望解決空間技術發展面臨的許多實際問題。例如航天器里存在許多通過滑動接觸進行電能或者信號傳輸的部件,要求其表面既具有優異的潤滑性能,又具有高的電傳導能力。目前主要采用導電的軟金屬潤滑材料,但其摩擦系數較高(0.2左右),約為石墨烯的十倍,實際使用中常常發生由此而導致的航天器重大故障,所以石墨烯優異真空潤滑性能的研究將為發展新型潤滑與導電功能一體化空間潤滑材料提供新的思路。 


上述研究結果發表在Applied physics letters 110 (2017) 073101、ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 6639等雜志上,得到國家自然科學基金項目(51405474、51472250、U1637204和51275509)、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃2013CB632300)、中科院“西部之光”西部青年學者A類計劃和“青年創新促進會”人才培養項目(2016368)的長期支持。


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石墨烯材料優異的真空潤滑性能


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石墨烯和石墨的真空摩擦過程示意圖


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