【研究进展】法向载荷对石墨烯在不锈钢基体上纳米摩擦行为的影响：对纳米级润滑的影响

研究背景

在微机电系统（MEMS）和微机械结构中，摩擦磨损对系统稳定性的影响会更为严重。减少超强纳米晶不锈钢在纳米摩擦中的摩擦磨损成为不锈钢材料在微观力学中进一步应用的关键。但是，由于微机械结构的工作环境要求，常规的液体润滑方法和润滑材料并不适用。

自从石墨烯被发现以来，其优异的机械和摩擦性能引起了摩擦学研究人员的注意。由于石墨烯在纳米摩擦中表现出许多行为，所有这些行为都会影响摩擦。因此，仅仅证明石墨烯可以减少不锈钢的摩擦磨损并不足以支持石墨烯用于不锈钢纳米摩擦润滑，需要对石墨烯在不锈钢基体上进行纳米摩擦研究。

在MEMS运行过程中，机械结构上的载荷会发生变化，石墨烯的润滑效果在不同载荷下可能会发生变化。因此，法向载荷是石墨烯应用于不锈钢纳米润滑的关键参数，开展本研究对石墨烯和纳米晶不锈钢的应用具有重要意义。

研究思路

对不锈钢基体石墨烯在不同法向载荷下的纳米摩擦进行了实验研究。基于实验数据，对石墨烯在不锈钢基底上的纳米摩擦进行了原子尺度模拟。研究了法向载荷变化时不锈钢基体石墨烯凸起区的摩擦特性。分析了石墨烯凸起区摩擦力的主要来源，建立了不同来源摩擦力与法向载荷的关系。石墨烯凸起区摩擦力上升的过程分为两个阶段，研究了摩擦力上升的两个阶段与法向载荷的关系，揭示了法向载荷引起摩擦力上升的机理。

主要结论

在对不锈钢基底石墨烯凸起区域的纳米摩擦的研究中，发现法向载荷的增加会影响摩擦。随着法向载荷的增加，尖端需要有更长的位移来完成摩擦力上升阶段。法向载荷越高，稳定阶段的摩擦力就越高，这与常见的摩擦现象一致。然而，与经典摩擦理论不同，法向载荷和摩擦力之间没有线性关系。随着法向载荷的增加，相同的载荷增加量对稳定阶段的摩擦力值有更明显的增强。

在摩擦力来源的分析中，膨胀石墨烯区域的摩擦力由材料自身的摩擦阻力和形态堆积的影响组成。堆积效应是导致法向载荷与摩擦力非线性相关的关键因素。除此之外，摩擦力上升阶段也解释了这种非线性相关现象。摩擦力上升的第一阶段与法向载荷呈线性相关，摩擦力上升的第二阶段与法向载荷呈非线性相关。因此，石墨烯凸起结构的堆积效应通过控制摩擦力上升的第二阶段来约束法向载荷变化对摩擦力的影响。

先前的研究指出，石墨烯凸起中第二阶段摩擦上升的机制是质量演化效应，本质上是石墨烯构象调节能力的表现。因此，法向载荷的变化会影响膨胀石墨烯的构象调节能力。因此，石墨烯用于不锈钢微观结构的纳米润滑更适合于低负载环境。

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

作者团队来自哈尔滨工业大学机电工程学院。