【研究背景】

含碳薄膜被广泛应用于工程系统中以减少摩擦和磨损。其中,以石墨或类金刚石(DLC)为特征的薄膜是通过化学或物理气相沉积形成,而其他薄膜则是在原位形成的。在适度的摩擦作用下,原位形成的不同类型的碳膜具有完全不同的结构,而通过化学或物理气相沉积方法合成的传统DLC膜也涉及非平衡和高能量过程。关于如何使用能量较低的工艺获得石墨或DLC产品,以及利用拉曼光谱是否足以确定碳膜为石墨或DLC,这些问题尚未得到解答


【研究成果】
近日,美国西北大学Q. Jane Wang(通讯作者)等人报道了一种减少摩擦界面上摩擦和磨损的润滑方法。在这种润滑方法中,不需要任何表面预处理,就可以自我生成和补充含保护性碳的润滑油这些摩擦材料显示出相同的拉曼D峰和G峰特征,这些特征峰被解释为是由于石墨或DLC薄膜的存在。我们的实验表征和分子动力学模拟表明,这些摩擦膜实际上是高分子量碳氢化合物充当的固体润滑剂。该工作以题为“Formation and Nature of Carbon-Containing Tribofilms.”发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。 


【图文解读】

一、计算方法(建立模型)

图1 计算设置的示意图

二、摩擦产物、热产物和DLC的比较

如图2a所示,摩擦产物和热产物都表现出一般DLC膜的拉曼D峰和G峰特征。但是,它们的D峰、G峰在加热后几乎完全消失,而DLC膜却保持不变(图2b)。结果说明,摩擦产物和热产物的热稳定性与DLC相差较大,进一步证明这两种碳产物的组成可能与DLC不同。

图2 摩擦产物、热产物和DLC薄膜的拉曼光谱

如图3a所示,热产物和摩擦产物几乎完全相同,与图3b中的DLC薄膜的FTIR显著不同,说明摩擦产物和热产物不同与DLC

图3 三种碳薄膜的红外光谱

图4为热产物溶解在CDCl3中的核磁共振氢谱。结合图3的FTIR结果,可得出热产物不是芳香族化合物

图4 热产物中得到核磁共振谱

图5为ESI法和MALDI法得到的热产物的质谱,观察到的最大分子量超过1500,远远大于CPCa。红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)的综合结果表明,所形成的碳膜是一种没有任何石墨化特征高分子量碳氢化合物或聚合物,与传统的DLC有很大的不同。

图5 用两种方法测定热产物的质谱

三、计算结果

为了理解这些实验结果并寻求更多关于摩擦/热产物形成的信息,我们进行了MD模拟。我们的模拟揭示了CPCa碎裂和随后这些碎片聚合的明显证据。

图6 摩擦过程中CPCa的聚合反应(MD模拟)


【本文小结】

综上所述,作者介绍了含碳摩擦材料的形成及其化学性质的研究结果。利用含2.5 wt%CPCa的PAO为添加剂进行摩擦试验,并在铁粉上进行热分解,制备了碳膜。虽然摩擦产物和热产物的D峰和G峰与DLC相同,但两种产物的分解温度均为623 K,而DLC在大于673 K时仍保持稳定。此外,摩擦产物和热产物在DCM中可溶,具有几乎相同的FTIR光谱,而DLC不是的。MS研究表明摩擦产物和热产物不是传统的DLC而是高分子量碳氢化合物。因此,作者推断拉曼光谱的D峰和G峰的存在不应作为形成石墨或DLC的唯一证据。

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文章题目:Formation and Nature of Carbon-Containing Tribofilms. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.8b22496。

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