以碳基材料為對(duì)象，研究開(kāi)發(fā)其作為高溫固體潤(rùn)滑材料，以求充分利用金剛石的超高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性，石墨烯的柔韌性和自潤(rùn)滑特性，并尋求解決金剛石的脆性和石墨烯的自支撐能力。

由華南理工大學(xué)、廣東省科學(xué)院新材料研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)省科學(xué)院新材料所）和香港城市大學(xué)共同組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功地在金剛石涂層表面原位生長(zhǎng)石墨烯涂層，構(gòu)建出具有半相干界面的異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層。這種獨(dú)特的界面結(jié)構(gòu)既包含強(qiáng)健的化學(xué)鍵合，又具有特定的錯(cuò)位缺陷，實(shí)現(xiàn)了材料性能的最優(yōu)平衡，使得高溫摩擦性能得到極大提升。

圖1:金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層的STEM表征圖

圖2:金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層高溫摩擦和抗氧化機(jī)理示意圖

進(jìn)一步的，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)和第一性原理模擬計(jì)算揭示了兩個(gè)關(guān)鍵影響機(jī)制。首先，強(qiáng)韌的界面促進(jìn)了能量傳遞，使柔性石墨烯能夠充當(dāng)"守護(hù)者"的角色。當(dāng)涂層承受應(yīng)力時(shí)，石墨烯層會(huì)率先進(jìn)行彈性調(diào)節(jié)和應(yīng)力消散，以自我犧牲的方式保護(hù)脆性的金剛石免于災(zāi)難性破壞。其次，研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯層中精心設(shè)計(jì)的缺陷起到了"捕氧器"的作用。這些缺陷為氧原子提供了優(yōu)先吸附位點(diǎn)，在材料表面構(gòu)建起抵御氧氣滲透的能量屏障，有效防止金剛石內(nèi)部被氧化。同時(shí)，表面形成的氧化石墨烯層能夠減少直接接觸，實(shí)現(xiàn)界面間的層間滑移，進(jìn)一步改善摩擦性能。

這項(xiàng)研究不僅揭示了提升金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層性能的關(guān)鍵機(jī)制，更為開(kāi)發(fā)下一代高溫摩擦應(yīng)用材料提供了新思路。通過(guò)界面強(qiáng)度調(diào)控和缺陷工程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了材料在高溫環(huán)境下的優(yōu)異摩擦和抗氧化性能。

該研究成果受邀作為封面論文（遴選中）發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊Carbon（Q1，TOP期刊，IF=10.5）。其中，林松盛教授級(jí)高級(jí)工程師為通訊作者。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

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供稿|真空鍍膜研究室

供圖|真空鍍膜研究室