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石墨烯:有潜力的导电空间润滑材料

科学传播

石墨烯:有潜力的导电空间润滑材料

      当两个物体发生运动时,在接触面存在着阻碍相对运动的作用,这种现象被称为“摩擦”。摩擦伴随着物体运动产生,并无时无刻不存在于人类的生产生活中。在某些时刻,人们希望摩擦变大,如飞机降落滑行过程中,需要增加轮胎与地面的摩擦以尽快降速;而更多的时候,摩擦则越小越好,如汽车的车轴、齿轮、发动机等传动部件需定期补充润滑油,以减小摩擦,降低能耗和零件磨损。在人类生活的地球环境,人们已经掌握了多种润滑技术来控制摩擦。然而,随着人类对空间的不断开发和探索,发现在空间高真空环境下运动机械之间的摩擦问题变得异常复杂和严重,金属表面没有了氧化保护膜,接触原子间具有强的相互作用力,就像我们常见的“氩弧焊”一样牢牢地粘合到一起,使得空间机械装备无法正常运转。大气环境下常用的流体润滑技术由于真空挥发、分解等问题不适用于空间环境,固体润滑材料和技术是目前空间润滑采用的主要方案。 

  石墨具有层状的晶体结构,层间为弱的范德华力相互作用,在摩擦过程中易发生层间剪切滑移,展现出了非常低的摩擦阻力。此外,石墨还具有导电、导热、耐腐蚀、产量丰富、价格低廉等优点,作为固体润滑材料应用极为广泛。但在真空环境下,石墨的润滑性能瞬间失效,磨损由此剧增,战争年代曾因为石墨电刷在高空的摩擦磨损失效导致了惨重的空难事故。 

  中国科学院兰州化学物理研究所磨损与表面工程课题组多年来致力于空间润滑材料的研究。最近,他们发现将三维的石墨多层结构拆分为仅有3至4层的二维结构(也就是石墨烯)后,其真空润滑性能变得非常优异,摩擦系数仅为0.02,也就是说仅需要物体重量2%的推力就可以将其轻松移动。 

  研究人员进一步研究了石墨烯二维结构独特的真空润滑机理。石墨烯具有二维纳米薄片结构,就如同一张纸页,平面面积很大,而厚度极薄。纸页平面上具有π电子和一定的表面相互作用力,石墨烯纸页可以自形成平铺结构。在纵向碾压和横向剪切力作用下,石墨烯纳米纸页变得更加平直、有序,形成了高度定序的层状摩擦界面。其中纸页与纸页间仅具有弱的范德华分子作用力,很容易发生相对滑移,从而使其在宏观接触状态下展现出超低的滑动摩擦特性。如果将石墨烯比作纸页,那么石墨就如同由许多纸页叠加组成的厚书。在制备过程中会杂乱无章地堆积到一起,无定序平铺。而侧面集中存在着未饱和的化学键,在真空环境下由于没有气体吸附钝化,变得非常活泼。在摩擦过程中,侧面的活性化学键会与摩擦对偶面以及彼此相互之间发生强烈的粘合作用,阻碍相对运动的发生,摩擦系数很大。该研究结果突破了石墨材料长期以来面临的真空润滑失效的性能缺陷,有助于认识层状结构材料的宏观低摩擦科学本质,掀开石墨类材料在空间应用的新篇章。石墨烯是目前发现的导电性能最强的材料,结合其真空润滑与导电一体化性能有望解决空间技术发展面临的许多实际问题。例如航天器里存在许多通过滑动接触进行电能或者信号传输的部件,要求其表面既具有优异的润滑性能,又具有高的电传导能力。目前主要采用导电的软金属润滑材料,但其摩擦系数较高(0.2左右),约为石墨烯的十倍,实际使用中常常发生由此而导致的航天器重大故障,所以石墨烯优异真空润滑性能的研究将为发展新型润滑与导电功能一体化空间润滑材料提供新的思路。 

上述研究结果发表在Applied physics letters 110 (2017) 073101、ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 6639等杂志上,得到国家自然科学基金项目(51405474、51472250、U1637204和51275509)、国家重点基础研究发展计划(973计划2013CB632300)、中科院“西部之光”西部青年学者A类计划和“青年创新促进会”人才培养项目(2016368)的长期支持。

石墨烯材料优异的真空润滑性能

石墨烯和石墨的真空摩擦过程示意图

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