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变形非晶碳与润滑剂复合体系的摩擦行为:对润滑剂粘度和变形形状的依赖
研究背景
在MEMS和NEMS元件的微接触表面的摩擦、磨损和粘附行为以及纳米级表面改性方法中，表面纹理和液体润滑剂结合使用，可以克服a-C膜的自我消耗和环境敏感性。据报道，研究人员设计了圆形凹陷、沟槽和人字形三种纹理，并在流体动力润滑条件下，通过改变滑动速度、滑动方向和覆盖范围，结果显示人字形对润滑膜厚度的增加效果最好；除此之外，液体润滑剂的分子组成、链长改变和官能团修饰都对复合材料的摩擦行为有影响。研究人员通过测量具有不同支链的PAO分子膜在云母表面的摩擦，发现具有支链的PAO分子比直链具有更长的记忆效应和更复杂的动态响应。当改变PAO链长时，它的黏度会受到剪切力的改变，黏度越高，润滑油的温度也会越高，导致润滑失效。但目前还不清楚a-C表面的织构和润滑剂粘度如何相互作用影响复合材料的摩擦行为。
研究方法
本研究设计了不同形状的a-C表面织构和不同粘度的PAO润滑剂。在不同的织构形状和PAO粘度下，采用反应分子动力学(RMD)模拟研究了复合体系的摩擦行为。
实验结果解析
图1. 图a描绘了尺寸为128.64 × 40.36 × 93.09 Å3的摩擦系统模型，该摩擦系统由纹理化的a-C作为下膜，PAO油作为中润滑剂，a-C作为上配合膜组成。小分子C8H16为基本单元(图b)的三种不同链长(C24H50、C40H82、C48H98)的PAO润滑剂，研究不同润滑剂粘度对摩擦性能的影响，每种润滑剂的PAO分子数分别为60、36、30，以保持相同的C原子数。织构结构参数如图c所示。每个纹理化的a-C /PAO/a-C摩擦系统采用三层假设进行建模，其中固定层模拟半无限系统(图1d中的绿色背景)，恒温层(图d中的紫色背景)使用Berendsen恒温器的NVE系集保持在300 K，自由层由剩余的a- c和润滑剂组成，用于模拟摩擦引起的界面结构演变。
图3. 各系统的摩擦系数计算结果。PAO分子为C40H80时，摩擦系数最低，为0.008。合适的润滑链长度可以显著提高a- c /PAO固液复合润滑系统的减摩效果。当织构形状为圆形时，其摩擦系数与矩形相似，添加润滑剂C40H82时摩擦系数最小(0.016)。
图4. 相同润滑剂(C24H50)条件下a-C表面不同织构形状下滑动过程的形貌图。矩形织构表面的摩擦界面比圆形织构表面的摩擦界面显示出更大的中间间隙；此外，与圆形织构相比，更多的润滑分子均匀分布在顶部的a-C表面，形成润滑膜，润滑油的区域聚集也更少，表明润滑油分子之间的相互作用更弱。
图6. 为了进一步研究发生摩擦时的结构变化，由a-C和润滑剂的原子序数分布以及膜深方向的密度分布来确定发生摩擦的界面区域的宽度，如图中的灰色区域所示。结构变化主要发生在由织构化a-C表面、上配a-C表面和润滑剂组成的区域，而不是上配a-C膜和下配a-C膜的本征区域。
实验总结
研究结果显示，当a-C表面织构形状为圆形时，随着润滑油链长的变化，摩擦系数先减小后增大；PAO分子为C40H80时，摩擦系数最低，为0.016。用矩形织构代替圆形织构，研究了摩擦系数随链长变化的相似规律，这归因于润滑剂分子的高迁移率和润滑剂在摩擦界面的聚集。
在相同的润滑条件下，与圆形织构相比，矩形织构的摩擦系数更小；当润滑剂为C40H82时，摩擦系数降至0.008，降低50%。这是因为在矩形织构体系中，更多的润滑剂原子倾向于位于a-C的上、下表面，以减少摩擦界面处润滑剂聚集的发生，并在匹配的a-C表面形成润滑膜。结合更好的流动性的润滑剂，这些结果较低的摩擦系数比圆形纹理的情况下。这些结果为高性能a-C薄膜的设计提供了理论基础，并促进了其在MEMS和NEMS领域的应用。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2023.11.006
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.7，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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