蘭州化物所納米尺度超低摩擦研究取得進(jìn)展
軍工資源網(wǎng) 2023年02月28日超潤(rùn)滑是指摩擦系數(shù)為0.001量級(jí)或更低的超低摩擦狀態(tài)。超潤(rùn)滑界面的構(gòu)筑在高端裝備、硬盤技術(shù)、太空探測(cè)、精密制造等領(lǐng)域頗具應(yīng)用潛力，發(fā)展長(zhǎng)效穩(wěn)定的超潤(rùn)滑技術(shù)是摩擦學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前對(duì)界面的超潤(rùn)滑機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不清晰，亟需從微觀尺度探討其摩擦物理機(jī)制。近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王道愛(ài)團(tuán)隊(duì)探索了二硒化鈮（NbSe2）的微觀摩擦學(xué)性能，從界面角度闡釋了單層NbSe2（~0.8 nm）的超低摩擦（~0.0085）和超耐磨（36000 cycles）機(jī)制。
科研人員采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法，通過(guò)調(diào)控不同的工藝參數(shù)，制備多種不同尺寸及形貌的高質(zhì)量NbSe2單晶；基于原子力顯微鏡系統(tǒng)研究了NbSe2微觀摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)單層（ML）NbSe2可實(shí)現(xiàn)魯棒性的超低摩擦，在空氣中放置50天之后依然可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超低摩擦性能。更重要的是，相對(duì)厚層（FL）NbSe2，ML-NbSe2具備更低的摩擦系數(shù)和更好的耐磨性能（圖1）。研究人員從實(shí)驗(yàn)與理論兩方面，闡釋了上述單層助力超低摩擦與超耐磨的本質(zhì)。相對(duì)于機(jī)械剝離樣品，采用CVD法生長(zhǎng)的NbSe2與襯底之間具備更強(qiáng)的結(jié)合力；采用第一性原理分析其表層樣品與下層樣品或襯底之間的電荷轉(zhuǎn)移密度和黏附力，相對(duì)于多層樣品，單層樣品與襯底之間具備更高的電荷轉(zhuǎn)移密度和黏附力。相對(duì)于多層樣品的層間結(jié)合力，單層樣品與襯底之間具備更強(qiáng)的結(jié)合力，因而在摩擦過(guò)程中不會(huì)因“褶皺效應(yīng)”而增大摩擦，結(jié)合其與MoS2和石墨烯相當(dāng)?shù)牡徒缑娼佑|勢(shì)壘，從而具備超低的摩擦系數(shù)和超耐磨性（圖2）。
該研究對(duì)NbSe2微觀摩擦機(jī)制、超潤(rùn)滑理論拓展及材料設(shè)計(jì)發(fā)展提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以Monolayer NbSe2 Favors Ultralow Friction and Super Wear Resistance為題，發(fā)表在Nano Letters上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、甘肅省重大科技專項(xiàng)及蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)培育項(xiàng)目等的支持。
圖1.CVD法制備NbSe2單晶以及單層超低摩擦與超耐磨
圖2.實(shí)驗(yàn)與理論分析單層NbSe2實(shí)現(xiàn)超低摩擦與超耐磨的機(jī)制