华南理工肖舒课题组 CEJ：原位生长氢化石墨烯涂层的宏观超润滑性和耐磨性

石墨烯是一种二维层状材料，具有良好的化学稳定性、高比表面积、高面内强度和低层间剪切强度等特性，作为固体润滑膜在机械工业中被广泛应用，但其超润滑性能受限于微纳尺度、特殊环境和复杂的应变工程。热丝化学气相沉积技术可在工业材料表面原位生长大面积高质量氢化石墨烯涂层，突破基材高温相变和转移引起的污染及损耗等制约瓶颈。通过调控氢化程度可实现石墨烯涂层表面稳定性和耐磨性的功能强化，显著扩展了氢化石墨烯涂层的潜在应用价值，从微机电系统中的精密传动到汽车、航空、航天及海洋装备等大型系统中的关键运动部件，为探索氢化石墨烯涂层的宏观超润滑性及其润滑机制的工业应用提供理论依据。

近日，华南理工大学肖舒副教授课题组在Chemical Engineering Journal (IF=16.744)上发表了题为“Macroscale Superlubricity and Durability of In Situ Grown Hydrogenated Graphene Coatings”的论文，华南理工大学机械与汽车工程学院为第一通讯单位，华南理工大学博士生范舒瑜为第一作者，华南理工大学肖舒副教授为通讯作者，合作者广东省科学院新材料研究所林松盛教授级高工为共同通讯作者。该课题组通过热丝化学气相沉积技术在工业材料表面原位生长高质量的氢化石墨烯涂层（0＜I_D/I_G＜0.21），在宏观摩擦试验中具备优异的宏观超润滑性（~0.009）和磨损寿命（~24840圈）。进一步地，采用分子动力学模拟阐明了原子尺度和宏观实验观察氢化石墨烯涂层具有自钝化和自修复效应的整体摩擦化学机制。结果表明，H原子堆积在石墨烯缺陷边缘并钝化C原子悬挂的σ键，形成强电荷转移的C-H键网络，降低界面相互作用，减少摩擦。此外，氢化石墨烯涂层间隙储存的化学吸附态H原子在摩擦过程中补充和修复涂层结构，延长磨损寿命。该研究提供了氢化石墨烯涂层的原位生长新方案和超润滑机制的新见解，以实现氢化石墨烯涂层在工业应用中的宏观超润滑性。

本文要点：

图1：(a)氢化石墨烯涂层原位制备示意图；(b)氢化石墨烯涂层在HFCVD腔室中的沉积原理图；(c)氢化石墨烯涂层的摩擦润滑机理图。

图2：不同氢化程度的氢化石墨烯涂层结构表征。(a) FTIR图；(b-d) XPS C1 s图；(e)Raman图；(f)Raman曲线I_D/I_G和I_2D/I_G拟合值；(g-i) Raman曲线I_D/I_G面扫图；(j-l)Raman曲线I_2D/I_G面扫图。

图3：不同氢化程度的氢化石墨烯涂层摩擦学性能表征。（a）摩擦系数与滑动圈数的函数曲线图；（b）氢化石墨烯涂层磨痕3D形貌图、线扫图及磨损量；（c-e）氧化铝对磨球磨损形貌SEM图；（f-h）磨痕形貌SEM图；（i-k）氢化石墨烯涂层磨痕边缘和中心区域Raman图。

图4：不同氢化程度的氢化石墨烯涂层分子动力学模拟计算。（a,c）低氢化石墨烯涂层模型及势能计算路径；（b,e）高氢化石墨烯涂层模型及势能计算路径；（d）势能与运动路径位置的函数曲线图；（f）受力后低氢化石墨烯层缺陷位置电荷分布；（g）受力后高氢化石墨烯层缺陷位置电荷分布；（h-j）受力前后低氢化石墨烯涂层电荷量值及其差值；（k-m）受力前后高氢化石墨烯涂层电荷量值及其差值；

作者简介

肖舒，博士，副教授，博士生导师。2018年获北京大学博士学位，2019-2021年于香港城市大学Paul. K. Chu课题组从事博士后研究工作，2021年7月起聘为华南理工大学副教授。研究领域包括：材料表面改性、等离子体放电理论研究及装备研发。主持国家自然科学基金、广东省面上基金、联合基金及博后基金等纵向课题7项，横向课题3项，作为核心成员参与国家重点研发计划项目、广东省引进创新科研团队专项计划项目；累计发表SCI收录论文42篇；申请国家发明专利24件，授权14件。

林松盛，博士，教授级高级工程师，硕士生导师。2016年获华南理工大学工学博士学位，现为广东省科学院新材料研究所真空镀膜研究室主任。研究方向为采用气相沉积技术制备耐磨、减摩、防腐蚀和抗冲蚀等防护功能薄膜；主持及参加研究项目60多项；获得各级科技成果奖19项；授权专利共44件；发表论文200余篇，参编论著2本。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141521