湿转移溶液法石墨烯薄片固体润滑:介观接触中的耗散机制与超润滑

通过液体分散施用于旋转与滑动接触的溶液法少层石墨烯薄片,作为摩擦改性剂在实现技术相关界面的低摩擦与低磨损方面正获得越来越多的关注。对于由单个石墨烯薄片润滑的近理想纳米尺度接触,已记录到消失的摩擦态即超润滑;然而对于由液体分散湿转移石墨烯通常获得的更大且形貌无序的接触,超润滑是否会持续尚无明显理解。本研究中,我们借助胶体探针原子力显微镜探讨溶液法石墨烯薄片的摩擦性能。我们使用无添加剂水分散体涂覆微米级二氧化硅微珠,随后在环境条件下对典型材料基底——石墨与过渡金属硫族化物(TMDs)MoS2 与 WS2——拖滑。高分辨显微镜证实湿转移薄片在二氧化硅探针上的随机组装形成不均匀涂层,由通过数十纳米高突起来控制接触力学的石墨烯斑块构成。原子尺度摩擦力谱揭示耗散经由粘滑不稳定性进行。对于石墨烯-石墨同质结可发生从耗散粘滑到超润滑连续滑动的载荷控制转变,而石墨烯-TMD 异质结则以单滑与多滑耗散动力学为特征。系统性数值模拟表明热激活单粗糙峰 Prandtl-Tomlinson 模型全面描述涉及不同石墨烯涂覆胶体探针、材料基底与滑动 regime 的摩擦实验。