當兩個物體發生運動時, 在接觸面存在著阻礙相對運動的作用, 這種現象被稱為“摩擦”。 摩擦伴隨著物體運動產生, 並無時無刻不存在於人類的生產生活中。 在某些時刻, 人們希望摩擦變大, 如飛機降落滑行過程中, 需要增加輪胎與地面的摩擦以儘快降速;而更多的時候, 摩擦則越小越好, 如汽車的車軸、齒輪、發動機等傳動部件需定期補充潤滑油, 以減小摩擦, 降低能耗和零件磨損。 在人類生活的地球環境, 人們已經掌握了多種潤滑技術來控制摩擦。 然而, 隨著人類對空間的不斷開發和探索, 發現在空間高真空環境下運動機械之間的摩擦問題變得異常複雜和嚴重,
石墨具有層狀的晶體結構, 層間為弱的范德華力相互作用, 在摩擦過程中易發生層間剪切滑移, 展現出了非常低的摩擦阻力。 此外, 石墨還具有導電、導熱、耐腐蝕、產量豐富、價格低廉等優點, 作為固體潤滑材料應用極為廣泛。 但在真空環境下, 石墨的潤滑性能瞬間失效,
中國科學院蘭州化學物理研究所磨損與表面工程課題組多年來致力於空間潤滑材料的研究。 最近, 他們發現將三維的石墨多層結構拆分為僅有3至4層的二維結構(也就是石墨烯)後, 其真空潤滑性能變得非常優異, 摩擦係數僅為0.02, 也就是說僅需要物體重量2%的推力就可以將其輕鬆移動。
研究人員進一步研究了石墨烯二維結構獨特的真空潤滑機理。 石墨烯具有二維納米薄片結構, 就如同一張紙頁, 平面面積很大, 而厚度極薄。 紙頁平面上具有π電子和一定的表面相互作用力, 石墨烯紙頁可以自形成平鋪結構。 在縱向碾壓和橫向剪切力作用下,
上述研究結果發表在 Appliedphysics letters 110 (2017) 073101、ACSAppl. Mater. Interfaces8 (2016) 6639等雜誌上, 得到國家自然科學基金專案(51405474、51472250、U1637204和51275509)、國家重點基礎研究發展計畫(973計畫2013CB632300)、中科院“西部之光”西部青年學者A類計畫和“青年創新促進會”人才培養項目(2016368)的長期支持。
石墨烯材料優異的真空潤滑性能
石墨烯和石墨的真空摩擦過程示意圖
作者系中國科學院蘭州化學物理研究所副研究員