非晶碳（a-C）薄膜作为一种优异的固体润滑材料，凭借其高硬度、优异的化学惰性和良好的耐磨性，在苛刻工况下的表面防护领域展现出巨大潜力。然而，其固有的化学惰性如同一把“双刃剑”，在初始滑动阶段显著抑制了转移膜的形成及与对偶件的有效化学反应，导致磨合期延长、初期摩擦系数波动大，甚至引发异常粘着磨损，最终影响机械部件的运行精度与使用寿命。虽然激光诱导石墨化和表面织构化被证实是有效的改性策略，但滑动方向对此类各向异性表面摩擦性能的影响机制尚属空白。
针对上述挑战，以我院材料科学与工程专业2022级本科生沈观鑫、汪沪生为代表的研究团队在魏徐兵副教授指导下，提出一种采用激光加工技术在非晶碳薄膜表面构建“软质润滑石墨化脊（织构脊）”与“硬质承载非晶碳基体（织构槽）”协同作用的复合改性策略，重点探究了不同滑动方向（0°、30°、45°、60°、90°）对摩擦行为的调控机制。该研究成果（图1）以“Sliding-orientation dependent friction on surface modified a-C films with a graphitization-texture synergy”为题发表于国际摩擦学领域权威期刊《Wear》（JCR一区，IF=7.2）。沈观鑫和卢俊杰为论文共同第一作者，魏徐兵副教授、冯海燕副教授和李晓伟教授为共同通讯作者。
图1 论文首页信息
本工作通过精确调控激光扫描路径，制备了具有不同取向的石墨化-织构化非晶碳薄膜。研究发现，激光辐照在织构脊部诱导了显著的石墨化转变，sp2碳含量显著增加（图2），硬度与弹性模量下降，形成了具备固体润滑功能的软质凸起；而织构槽部则保留了原始非晶碳薄膜致密的形貌与非晶结构及优异的力学性能。研究团队通过系统的摩擦学测试发现，改性薄膜的摩擦系数展现出强烈的滑动方向依赖性，随滑动角度增加呈现先降低后升高的趋势。
图2 石墨化织构脊结构特征
得益于“软硬协同”的界面设计，GT-60°体系（即滑动方向与织构呈60°夹角）展现出最优异的摩擦学性能。其平均摩擦系数低至0.069，较原始非晶碳薄膜大幅降低了41.02%，同时具有良好的耐磨性（图3）。研究团队通过分段摩擦实验揭示了其降摩擦机制。摩擦过程历经磨合期与稳态期；在稳态期，初始的“软质石墨化脊”被逐渐磨平，演变为“石墨化沟槽/本征非晶碳脊”的新构型。该构型中，沟槽内富集的高石墨化磨屑形成低剪切转移膜，而硬质的本征非晶碳脊作为承载骨架有效限制了变形。这种稳态构型的维持大幅减小了摩擦副间的真实接触面积（图4），显著抑制了粘着磨损。此外，斜向滑动（30°-60°）下的非共轴接触有效缓解了力学互锁，协同促进界面石墨化，实现了稳定的超低摩擦（图5）。
图3 摩擦性能的滑动取向依赖性
图4 阶段实验结果
图5 低摩擦机制
该工作系统揭示了滑动方向调控摩擦界面石墨化程度及转移膜形成的物理机制，为在干摩擦条件下实现非晶碳薄膜的精密润滑控制提供了理论依据，也为各向异性表面摩擦学的工程应用提供了新的技术路径。
该研究工作得到了江苏省大学生创新创业训练计划项目（No. X202510290384）和国家自然科学基金（No. 52305237，No. U24A2030）等资金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.wear.2026.206872
新闻来源：材料与物理学院
责任编辑：魏徐兵
一审一校：李泳锋
二审二校：李智
三审三校：范韶维
