非晶碳（amorphous carbon，a-C）固体润滑涂层与液体润滑油、添加剂等复合的协同润滑技术，是满足运动部件表面耐磨润滑性能要求、延长其使用寿命、实现高可靠运行的有效途径。但摩擦磨损与材料表/界面结构密切相关，不同结构涂层材料的组合、界面优化产生不同表/界面结构，进而影响涂层的摩擦特性和润滑油、添加剂在表面的吸附、润湿等基本物理化学特性。再者，由于实验原位表征技术的限制，导致内在摩擦机理阐释不清，缺乏原子尺度的本质的理解。近期，我校材料与物理学院李晓伟教授、张德坤教授与韩国科学技术研究院Kwang-Ryeol Lee首席研究员合作，在a-C固体润滑涂层的耐磨润滑与固液复合方面取得系列研究进展。
首先，针对a-C摩擦界面信息难以原位、实时表征从而导致内在机理不明的关键科学问题，开展了干摩擦条件下a-C固体润滑涂层的石墨化机理和钝化机理的对比研究，揭示了低摩擦机理主要归因于界面的钝化程度（图1a），但随石墨化结构的出现及其尺寸的增加，摩擦机理逐渐由钝化行为转变为石墨化占主导。进一步研究发现，钝化机理主要通过同时减小界面接触面积和剪切强度而降低摩擦力（图1b），而石墨化诱导的摩擦力的减小归因于单一剪切强度的降低，从而为在微机电、磁盘保护中a-C固体润滑涂层结构设计和应用提供了很好的理论依据。相关研究成果形成题为“Fundamental understanding on low-friction mechanisms at amorphous carbon interface from reactive molecular dynamics simulation”的论文（DOI：10.1016/j.carbon.2020.08.014），发表在国际期刊Carbon（中科院一区Top期刊，影响因子9.594）。该论文以中国矿业大学为第二单位、李晓伟教授为第一/通讯作者，韩国科学技术研究院Kwang-Ryeol Lee首席研究员为共同通讯作者。
其次，将a-C涂层与润滑油结合可显著提高运动机械部件的摩擦性能和使用寿命。然而，缺乏不同摩擦条件下接触界面的结构信息，协同润滑机理阐释不充分。通过反应分子动力学模拟，系统研究了不同润滑油添加剂种类、含量和a-C表面结构下的复合润滑行为及界面结构演变。研究发现：摩擦性能强烈依赖于润滑油中石墨烯添加剂的种类、尺寸和含量；优化得到了石墨烯尺寸和含量大小，可实现超滑行为；随着石墨烯尺寸的增加，低摩擦机理从润滑油和石墨烯之间的协同增效演变为石墨烯诱导的钝化吸附和界面钝化。进一步地，通过优化a-C涂层表面氢化程度，也可实现超低摩擦，这取决于H诱导的界面钝化和对润滑油的“挤压”效应，并且首次观察到润滑油在摩擦界面同时展示出正向、反向扩散行为，据此可开发长寿命的新型润滑系统。相关研究成果分别形成题为“Tailoring the Nanostructure of Graphene as an Oil-Based Additive: toward Synergistic Lubrication with an Amorphous Carbon Film”（DOI：10.1021/acsami.0c12890）、“Exploring the different roles of graphene and its derivatives as nano-additives at amorphous carbon surface through reactive molecular dynamics approach”（DOI：10.1016/j.commatsci.2021.110499）、“Insights into Superlow Friction and Instability of Hydrogenated Amorphous Carbon/Fluid Nanocomposite Interface”（DOI：10.1021/acsami.1c09432）的论文，其中2篇发表在国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces（中科院一区Top期刊，影响因子9.229）、1篇发表在Computational Materials Science（中科院三区，影响因子3.300）。论文均以中国矿业大学为第一单位、李晓伟教授为第一/通讯作者，张德坤教授和韩国科学技术研究院Kwang-Ryeol Lee首席研究员为共同通讯作者。
上述研究工作得到国家自然科学基金、韩国国家研究基金会KRF等项目的资助。
图1 a-C固体润滑涂层的界面石墨化机理和钝化机理的对比研究
图2 a-C涂层固液复合润滑行为对石墨烯添加剂和a-C表面结构的依赖性
