成果簡(jiǎn)介

       金剛石和石墨烯固有的脆性和缺乏自我支撐能力限制了它們?cè)谀陀脻?rùn)滑系統(tǒng)中的應(yīng)用。然而，在金剛石涂層上預(yù)先封裝柔性石墨烯具有巨大的潛力，可在高溫摩擦應(yīng)用中平衡脆性和韌性。本文，華南理工大學(xué)Shu Xiao等研究人員在《Carbon》期刊發(fā)表名為“High-Temperature Friction and Oxidation Resistance of Self-Sacrificial Diamond-Graphene Heterostructures Coatings”的論文，研究利用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在原位合成了具有半相干界面的金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層，其特點(diǎn)是強(qiáng)力粘合中夾雜著位錯(cuò)缺陷。

       得益于增強(qiáng)的界面強(qiáng)度和捕氧能力的協(xié)同效應(yīng)，這些涂層在不同溫度下的摩擦性能提高了 35% 以上。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析表明，堅(jiān)固的界面有利于能量傳遞，使石墨烯能夠在脆性金剛石發(fā)生災(zāi)難性破壞之前，以自我犧牲的方式進(jìn)行彈性調(diào)整和應(yīng)力消散。此外，石墨烯層內(nèi)的工程缺陷可作為氧原子的優(yōu)先吸附點(diǎn)，形成高能量屏障，阻止氧氣擴(kuò)散到金剛石內(nèi)部。這些結(jié)果揭示了界面強(qiáng)度和缺陷工程對(duì)金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層的影響機(jī)制，為下一代高溫摩擦應(yīng)用材料奠定了基礎(chǔ)。

       圖文導(dǎo)讀

圖1.金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層的制備過程示意圖。

圖2.金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層的 STEM 表征。

圖3.金剛石和金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層的形態(tài)學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)、形貌和潤(rùn)濕性表征。

圖4.金剛石和金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層的結(jié)構(gòu)表征。

圖5.金剛石和金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層的摩擦學(xué)特性。

圖6.金剛石和金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層在高溫下暴露后的劃痕測(cè)試.

圖7.有缺陷的金剛石和金剛石-石墨烯結(jié)構(gòu)的 DFT 計(jì)算.

圖8.金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層機(jī)理的示意圖顯示了金剛石和石墨烯層之間形成的穩(wěn)健界面以提高耐磨性，以及石墨烯表面位置的優(yōu)先氧吸附以增強(qiáng)抗氧化性。

       小結(jié)

       實(shí)驗(yàn)證明了具有半相干界面的金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層的耐摩擦性和抗氧化性。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果揭示了金剛石和石墨烯之間的界面相互作用及其摩擦和氧化行為。在金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層中，原位制備出了半相干界面，其特征是穩(wěn)固的結(jié)合區(qū)域與位錯(cuò)缺陷交織在一起。穩(wěn)固的結(jié)合界面有利于有效的能量和應(yīng)力傳遞，從而使柔性石墨烯在脆性金剛石發(fā)生裂紋擴(kuò)展和災(zāi)難性破壞之前，以自我犧牲的方式進(jìn)行彈性調(diào)整和應(yīng)力消散。此外，石墨烯層中的工程缺陷可作為氧氣吸附的活性位點(diǎn)，從而形成高能量屏障，防止氧氣擴(kuò)散到更深的金剛石基體中。此外，具有穩(wěn)定C-O鍵的氧化石墨烯層可防止直接接觸，并在摩擦界面實(shí)現(xiàn)層間剪切滑動(dòng)。得益于增強(qiáng)的附著強(qiáng)度和抗氧性，金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層在不同溫度下的摩擦性能比金剛石涂層提高了 35% 以上。這項(xiàng)研究闡明了金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層摩擦性和抗氧化性增強(qiáng)的機(jī)理，為高溫摩擦應(yīng)用揭示了一種前景廣闊的策略。

       文獻(xiàn)：

       https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120072