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在耐用潤滑系統(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，其特點是強力粘合中夾雜著位錯缺陷。

得益于增強的界面強度和捕氧能力的協(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。實驗和計算分析表明，堅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，形成高能量屏障，阻止氧氣擴散到金剛石內(nèi)部。這些結(jié)果揭示了界面強度和缺陷工程對金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層的影響機制，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試.

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

圖8.金剛石-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層機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)先氧吸附以增強抗氧化性。

小結(jié)

實驗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。實驗和理論計算結(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)生裂紋擴展和災(zāi)難性破壞之前，以自我犧牲的方式進行彈性調(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，從而形成高能量屏障，防止氧氣擴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，并在摩擦界面實現(xiàn)層間剪切滑動。得益于增強的附著強度和抗氧性，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的機理，為高溫摩擦應(yīng)用揭示了一種前景廣闊的策略。