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世界上最薄的固体润滑剂——石墨烯
2013-08-08 13:29:49    ''  浏览次数:

摘要:

大面积化学气相沉积的石墨烯最有前途,可用作固体润滑剂,这是因为它具有出色的可扩展性和可转移性。

韩国机械与材料研究所(KIMM:Korea Institute of Machinery & Materials)的科学家发现,相互作用力存在于接触面之间,如附着力和摩擦力都是至关重要的,许多应用是在纳米尺度,这是因为很高的表面积和体积比存在于纳米材料和纳米器件中。在过去的十年中,各种固体润滑材料,微/纳米模式,表面处理工艺已经开发出来,可高效运作,延长了使用寿命,可进行微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的应用,还可用于各种制造工艺,如纳米压印光刻(nanoimprint lithography)和转移印花(transfer printing)。

石墨烯薄膜生长在铜(Cu)和镍(Ni)金属催化剂上,采用化学气相沉积,转移到二氧化硅/硅(SiO2/Si)基质上,会呈现出优异的附着力和摩擦特性。石墨烯薄膜可有效降低附着力和摩擦力,而多层石墨烯薄膜只有几纳米厚,具有低摩擦系数(coefficients of friction),这是对比块状石墨而言。

一个重要的考虑因素是,运用固体润滑剂,在微米和纳米尺度,要考虑润滑剂的厚度,以及可兼容的润滑剂沉积工艺,以兼容目标产品。石墨烯是一种原子一样薄而且强硬的碳材料,具有低表面能量,是一种很好的候选产品,可以进行这些应用。

从实际角度来看,大面积化学气相沉积(CVD)的石墨烯最有前途,可用作固体润滑剂,这是因为具有出色的可扩展性和可转移性。然而,摩擦学特性方面,化学气相沉积的石墨烯在微米和纳米尺度尚未见报道。

就摩擦特性而言,机械剥离的石墨烯和外延石墨烯(epitaxial graphene)已经过研究,采用的摩擦力显微镜(friction force microscopy)是在纳米尺度,揭示出可显著减少摩擦。

他们最近的一篇文章发表在美国化学学会(ACS)的《纳米》(Nano)杂志上,题为《化学气相沉积培育石墨烯:最薄的固体润滑剂》,文章证明,可以使用大面积化学气相沉积的石墨烯,作为一种固体润滑剂。

与此相反,有趣的是,这样培育的石墨烯,在镍上显示出最低的摩擦系数(0.03),而且只是略有磨损,在基板上,甚至反复测试同一位置的样品,也是这样。看来,减少真实接触面积的熔融石英透镜(fused-silica lens)(摩擦测试的对应材料)和石墨烯,同时减少附着力强的石墨烯和下面的镍层,这就会带来最低的摩擦系数和低磨损。

文章报告说,化学气相沉积的石墨烯具有优异的附着力和摩擦特性,在微米和纳米尺度就是这样,足以进行实际应用。特别是,我们的结果表明,多层石墨烯只有几纳米厚,摩擦系数可媲美散装石墨,就是传统的固体润滑剂。这个结果可以成立,这是第一次有了新的可能性,可以使用化学气相沉积的石墨烯作为表面涂层,减少摩擦力和附着力,保护基材表面。

正如文章中提到,较厚的镍培育石墨烯,转移到二氧化硅上,更耐用抗滑,胜过较薄的铜培育的石墨烯在二氧化硅上的情况,但镍培育的石墨烯磨损也容易,在接触压力为37兆帕(Mpa)的微观接触中,就是这样。

结果表明,多层石墨烯的摩擦磨损特性可以改进,因为石墨烯紧紧结合到基质上,具有纳米级模式的表面。

我们的目标是开发超薄耐用的固体润滑剂,需要使用石墨烯。我们将研究一些方法,提高摩擦性能,使化学气相沉积的石墨烯可以实际使用。我们也试图改进石墨烯的表面特性,控制摩擦学性能,进行各种应用。通过未来的工作,化学气相沉积的石墨烯薄膜可实际用作固体润滑剂,减少附着力和摩擦力,延长微机电系统和纳机电系统的使用寿命。