研究背景

● 在微機電系統(tǒng)（MEMS）和微機械結構中，摩擦磨損對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響會更為嚴重。減少超強納米晶不銹鋼在納米摩擦中的摩擦磨損成為不銹鋼材料在微觀力學中進一步應用的關鍵。但是，由于微機械結構的工作環(huán)境要求，常規(guī)的液體潤滑方法和潤滑材料并不適用。

● 自從石墨烯被發(fā)現以來，其優(yōu)異的機械和摩擦性能引起了摩擦學研究人員的注意。由于石墨烯在納米摩擦中表現出許多行為，所有這些行為都會影響摩擦。因此，僅僅證明石墨烯可以減少不銹鋼的摩擦磨損并不足以支持石墨烯用于不銹鋼納米摩擦潤滑，需要對石墨烯在不銹鋼基體上進行納米摩擦研究。

● 在MEMS運行過程中，機械結構上的載荷會發(fā)生變化，石墨烯的潤滑效果在不同載荷下可能會發(fā)生變化。因此，法向載荷是石墨烯應用于不銹鋼納米潤滑的關鍵參數，開展本研究對石墨烯和納米晶不銹鋼的應用具有重要意義。

研究思路

對不銹鋼基體石墨烯在不同法向載荷下的納米摩擦進行了實驗研究。基于實驗數據，對石墨烯在不銹鋼基底上的納米摩擦進行了原子尺度模擬。研究了法向載荷變化時不銹鋼基體石墨烯凸起區(qū)的摩擦特性。分析了石墨烯凸起區(qū)摩擦力的主要來源，建立了不同來源摩擦力與法向載荷的關系。石墨烯凸起區(qū)摩擦力上升的過程分為兩個階段，研究了摩擦力上升的兩個階段與法向載荷的關系，揭示了法向載荷引起摩擦力上升的機理。

主要結論

● 在對不銹鋼基底石墨烯凸起區(qū)域的納米摩擦的研究中，發(fā)現法向載荷的增加會影響摩擦。隨著法向載荷的增加，尖端需要有更長的位移來完成摩擦力上升階段。法向載荷越高，穩(wěn)定階段的摩擦力就越高，這與常見的摩擦現象一致。然而，與經典摩擦理論不同，法向載荷和摩擦力之間沒有線性關系。隨著法向載荷的增加，相同的載荷增加量對穩(wěn)定階段的摩擦力值有更明顯的增強。

● 在摩擦力來源的分析中，膨脹石墨烯區(qū)域的摩擦力由材料自身的摩擦阻力和形態(tài)堆積的影響組成。堆積效應是導致法向載荷與摩擦力非線性相關的關鍵因素。除此之外，摩擦力上升階段也解釋了這種非線性相關現象。摩擦力上升的第一階段與法向載荷呈線性相關，摩擦力上升的第二階段與法向載荷呈非線性相關。因此，石墨烯凸起結構的堆積效應通過控制摩擦力上升的第二階段來約束法向載荷變化對摩擦力的影響。

● 先前的研究指出，石墨烯凸起中第二階段摩擦上升的機制是質量演化效應，本質上是石墨烯構象調節(jié)能力的表現。因此，法向載荷的變化會影響膨脹石墨烯的構象調節(jié)能力。因此，石墨烯用于不銹鋼微觀結構的納米潤滑更適合于低負載環(huán)境。

文章信息

● Wanmin Guo, Qingshun Bai*, Yuhao Dou, Hongfei Wang, Tingting Wang, and Shandeng Chen. Effect of Normal Load on the Nanofriction Behavior of Graphene on Stainless-Steel Substrate: Implication for Nanoscale Lubrication[J]. ACS Appl. Nano Mater., 2024, Publication Date:April 24, 2024, https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00913

● 作者團隊來自哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院。

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