《類金剛石膜結構相變、界面膜形成及超低摩擦機理》是依託清華大學，由馬天寶擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：類金剛石膜結構相變、界面膜形成及超低摩擦機理
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：馬天寶
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
類金剛石膜超低摩擦對於微納米器件等領域有重要的套用價值。本項目從結構相變和摩擦界面膜形成的角度，研究類金剛石膜超低摩擦的產生條件和存在機理。研究內容包括：通過分子動力學方法實現類金剛石膜超低摩擦的模擬；結合量子力學第一原理計算和實驗手段，研究類金剛石膜超低摩擦產生的微觀機理；揭示類金剛石膜磨合過程中摩擦界面結構相變和摩擦行為變化規律和機理；探索達到穩定超低摩擦後，表面的物理化學性質與超低摩擦力的關係；提出構築超低摩擦表面、顯著減小摩擦力的方案和實現超低摩擦的途徑；探索可持續穩定超低摩擦和環境不敏感超低摩擦的實現手段。研究成果有望為解決微納米器件中的摩擦和粘著問題提供理論支持。
結題摘要
本項目圍繞類金剛石（DLC）膜結構相變、界面膜形成及超低摩擦機理開展了系統的理論和實驗研究，研究成果對碳基材料超滑套用提供了重要的理論支持。 （1）採用分子動力學模擬方法研究了DLC膜生長和摩擦機理。發現了摩擦過程中剪下誘導鍵合結構轉化和石墨化現象。通過原子級應力計算，發現伴隨著摩擦過程，薄膜內部的高壓縮應力（雙向應力）顯著下降，且其變化規律與結構轉變具有很好的對應性。由此提出了基於剪下誘導應力弛豫的DLC膜相變機理，即雙向應力弛豫是相變的驅動力，剪下作用提供了相變的激活能。 （2）揭示了基於剪下誘導石墨化的DLC膜超滑機制。發現了DLC膜剪下誘導形成雙層類石墨烯界面膜結構，滑動發生在類石墨烯片層之間，獲得摩擦係數最低可達0.007的超低摩擦狀態，該摩擦係數比目前國際上報導的採用分子動力學模擬獲得的DLC膜最低摩擦係數低一個數量級以上，且在國際上首次揭示了石墨化轉移膜的原子級結構；採用基於反應力場的分子動力學模擬方法研究了磷酸體系超滑，揭示了摩擦化學反應機理和水分子界面潤滑機理。 （3）研究了多層石墨烯的層間滑移和摩擦行為，建立了一維多彈簧振子模型，提出涉及滑移體橫向剛度Ks、最大橫向力Fmax及突滑長度a等三個重要因素的平均摩擦力模型，從而較好的揭示了石墨烯摩擦的層數依賴性，並從理論上預測了近零摩擦狀態；採用引入長程色散作用的第一性原理方法建立了摩擦力和系統勢能面褶皺的定量關係，勢能面褶皺大小反映了體系滑移所需要越過的能壘高低，即發生滑動的難易程度。 （4）自製小型原位摩擦磨損試驗機，其符合小型、輕便、接觸區透光等設計要求，可以嵌入拉曼光譜儀等設備，實現了對微米尺度界面膜形成過程、鍵合結構和摩擦係數等進行實時同步表征。採用含氫DLC膜在乾燥氬氣環境下獲得了穩定的超低摩擦狀態，摩擦係數最低可達0.003，並實驗驗證了界面膜的形成對超滑的重要作用。 在Phys. Rev. B、J. Chem. Phys. C、Carbon、Nanotechnology等主流學術期刊上發表論文8篇，其中7篇為SCI檢索，6篇影響因子大於3.0。項目負責人應邀在國外研究機構做學術報告3次。以項目組為核心（負責人為第三完成人，項目組成員為第一完成人）獲得教育部自然科學一等獎。項目負責人入選萬人計畫第一批青年拔尖人才，並獲2011年摩擦學最佳論文獎。
