能源和环境双重压力下，特别是“碳达峰、碳中和”发展战略的提出和现代制造业精密化、小型化的发展趋势，传统润滑油脂或固体润滑涂层已难满足多因素耦合工况下的实际应用需求，迫切需要发展高硬度、高承载、低摩擦、多环境适应性的高性能润滑材料与技术。非晶碳（amorphous carbon，a-C）涂层具有高硬度、低摩擦、耐蚀等功能特性，且可在绿色、干式低温的物理/化学气相沉积技术下实现大面积可控制备，作为关键运动部件最理想的表面改性新材料，符合节能、降耗、减排的国家重大战略需求，也成为摩擦学领域的研究热点之一。近期，我校材料与物理学院李晓伟教授团队在a-C涂层的表面织构化调控与摩擦机理方面取得一系列进展。
首先，围绕a-C涂层表面织构的参数优化、实时表征导致内在机理不明的关键科学与技术问题，开展了干摩擦/油润滑条件下不同织构参数的筛选和润滑机理的系统研究，揭示了表面织构对流体动力润滑的促进作用和干摩擦下C-C键合引起的界面交联；织构深度的增加导致界面润滑状态的转变，而织构宽度的变化决定流体润滑状态的有效程度（图1a）。进一步研究发现，在不同油含量和接触压强的耦合工况下，最佳参数体系的润滑表现取决于界面钝化程度与流体动力润滑效果之间的竞争；同时，极端压强下织构层的坍塌会引起润滑油的异常流动，对减摩产生不利影响（图1b）。以上结论为在微机电、磁盘保护中a-C固体润滑涂层的表面结构设计和应用提供了理论指导。相关研究成果形成题为“Friction dependence on the textured structure of an amorphous carbon surface: A reactive molecular dynamics study”（DOI：10.1016/j.apsusc.2022.155584）、“Atomistic insights into interfacial optimization mechanism for achieving ultralow-friction amorphous carbon films under solid–liquid composite conditions”（DOI：10.1021/acsami.3c12838）的论文，分别发表在国际期刊Applied Surface Science（JCR一区，中科院二区Top期刊，影响因子6.7）、ACS Applied Materials & Interfaces（JCR一区，中科院二区Top期刊，影响因子9.5）。论文均以中国矿业大学为第一单位、硕士研究生杜乃洲为第一作者、李晓伟教授为通讯作者。
图1 （a）织构表面参数调控及摩擦机理研究（b）固液复合条件下超低摩擦的界面优化机制
其次，织构化表面选择性引入氢原子，可降低界面交联程度，从而显著提高界面的摩擦稳定性（图2）。干摩擦条件下，氢原子的选择性引入钝化摩擦界面，降低了自配a-C涂层表面之间的交联程度，而且随着表面氢含量的增加，摩擦界面处发生大量氢原子聚集，产生高张应力；特别是，织构化a-C表面分离的-CH团簇与上部摩擦副a-C涂层重新键合，增强了氢原子之间的排斥效应，从而导致摩擦系数急剧下降。在油润滑条件下，对于本征织构化a-C系统，润滑油对自配a-C涂层表面的屏蔽作用使摩擦行为以流体动力润滑为主，但随着氢原子选择性地引入织构化表面凸起位点，摩擦系数最大降低63%，这是由于添加的氢原子占据织构化a-C涂层凸起表面的活性位点，促进摩擦界面的钝化，并与润滑油的氢原子之间产生强烈排斥作用，使得在摩擦副表面形成致密的润滑油膜，摩擦界面从油/油转变为油/氢化凸起，低摩擦机制也从流体动力润滑转变为氢化凸起表面与润滑油之间的氢诱导排斥力。相关研究成果形成题为“Unraveling the friction response from selective hydrogenation of textured amorphous carbon surface”（DOI：10.1016/j.apsusc.2022.156246）、“Friction reactions induced by selective hydrogenation of textured surface under lubricant condition”（DOI：10.1007/s40544-023-0772-4）的论文，分别发表在国际期刊Applied Surface Science（JCR一区，中科院二区Top期刊，影响因子6.7）、Friction（JCR一区，中科院一区Top期刊，影响因子6.8）。论文均以中国矿业大学为第一单位、硕士研究生杜乃洲为第一作者、李晓伟教授为通讯作者。
图2 干摩擦和油润滑条件下选择性氢化对比研究
上述研究工作得到国家自然科学基金、科技部高端外专项目、江苏省双创团队、江苏省特聘教授、徐州市基础研究计划、校越崎引智计划等项目的资助。
DLC涂层与润滑油、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。因此，课题组初步开展了系列创新性研究工作：
首先，针对DLC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，基于筛选优化的反应力场【Comput. Mater. Sci., 151 (2018) 246; Comput. Mater. Sci., 169 (2019) 109143】，开展了干摩擦条件下涂层摩擦行为的系统研究，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【Tribol. Int., 131 (2019) 567; Carbon, 170 (2020) 621】。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接触压强而减小摩擦力（图1b）【Carbon, 170 (2020) 621】，而且在表面充分钝化情况下，DLC涂层可实现比油润滑更好的摩擦性能【Tribol. Int., 136 (2019) 446】，从而为在微机电、磁盘保护中DLC涂层结构设计和应用提供了很好的理论依据。
图1 DLC涂层低摩擦机理的反应分子动力学研究：（a）不同摩擦条件下的摩擦性能及界面结构信息；（b）界面石墨化和钝化机理的对比研究
其次，将DLC涂层与润滑油结合可以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，摩擦机理阐释不充分。申请人通过反应分子动力学模拟系统研究了不同基础压强、润滑油含量和种类下固液复合滑动界面的结构演变，发现：在DLC涂层界面添加润滑油（基础油和添加剂），可改善摩擦性能，但其有效性强烈不仅依赖于载荷、转速等摩擦条件，更依赖于基础油和添加剂的种类、含量（图2）【npj Comput. Mater., 4 (2018) 53; Adv. Theory Simul., 2 (2019) 1800157; Comput. Mater. Sci., 161 (2019) 1；Carbon, 150 (2019) 465; ACS Appl. Mater. Interfaces, 12 (2020) 43320; Comput. Mater. Sci., 195 (2021) 110499】。特别地，摩擦过程中润滑基础油碳-碳骨架经特定断裂而解离，从而控制摩擦行为，导致内在机理从流体润滑转变为界面钝化，从而为润滑油的选择和设计（粘度、饱和键态、链长、功能改性位置）提供理论依据，据此可开发具有长寿命的新型润滑系统。
图2 DLC涂层固液复合润滑行为对添加剂种类及结构的依赖性
以上研究工作以第一/通讯作者身份，在npj Comput. Mater、Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces、Appl. Surf. Sci.等高水平期刊上发表SCI论文14篇，并获得国家自然科学基金面上项目、科技部国际合作交流项目、韩国国家研究基金会KRF项目、宁波材料所“一三五”重点部署子课题等项目资助。
