【研究进展】重离子辐照对石墨烯纳米片（GNSs）摩擦的影响：对航空润滑的启示

石墨烯纳米片（GNSs）具有非凡的导电性、非凡的强度和卓越的润滑性，非常适合航空航天应用。GNS被广泛用作航空发动机轴承、输送链和导电滑环的润滑材料。然而，缺陷会阻碍GNS的摩擦性能，并导致其机械性能的显著变化。因此，在航空航天领域，必须全面了解缺陷诱导摩擦的能量耗散机制，并探索提高GNS性能和耐久性的有效策略。本研究通过重离子辐照引入缺陷，利用拉曼光谱和原子力显微镜表征和评估了GNSs在不同辐照通量下的摩擦行为，并分析了不同辐照通量条件下的摩擦响应。所获得的结果表明，随着辐照通量的增加，GNSs的摩擦系数和能量耗散都有所增加。这一发现为航空航天工业解决辐照缺陷引起的摩擦挑战提供了宝贵的见解，并为开发基于GNSs的先进材料铺平了道路。

研究背景

• GNS 具有极低的摩擦阻力，非常适合航空航天和机械工程领域的润滑应用。与其他二维材料相比，GNS在大气条件下表现出更高的稳定性，并降低了对环境因素的敏感性。因此，有必要对GNS材料的摩擦机理进行进一步的研究。
• 目前，研究人员正在研究各种用于太空环境的润滑剂，以有效应对摩擦和磨损带来的挑战。GNS已成为一种常见的润滑剂材料，在航空航天工业中得到了广泛的应用。
• 与地面环境相比，空间环境呈现出更大的复杂性，其特点是紫外线辐射、高真空、高氧化性氧原子和高能离子辐照等因素。这些因素不可避免地会影响 GNS 的功能、性能和寿命，从而显著影响航空材料的可靠性。

大量研究表明，重离子辐照对用于空间润滑的材料所表现出的摩擦行为产生了深远的影响。

研究思路

重离子辐照是指通过施加高能重离子束对材料进行加速辐照。该过程将重离子流释放到材料中，导致其电子结构和物理化学性质的改变。该技术可以通过调整离子辐照参数来操纵缺陷尺寸和密度。本研究中采用可控重离子辐照对GNS进行有意诱导缺陷，采用拉曼光谱对样品进行分析，并跟踪不同剂量的重离子辐照引起的缺陷，从而确定GNS的缺陷密度。随后，利用原子力显微镜检查了摩擦变化与重离子辐照引起的缺陷之间的相关性，揭示了微观摩擦和粘附行为的见解。最终旨在阐明GNS在各种重离子辐照下的摩擦行为，以期更深入地了解重离子辐照如何影响GNS的机械性能以及航空航天领域GNS材料的整体可靠性。

主要结论

• GNSs的I_D/I_G比随着离子剂量的增加而增加，这意味着缺陷密度逐渐增加。缺陷的出现导致GNS的附着力和表面粗糙度增强，导致摩擦增加。
• 在不同的扫描速度下，具有不同辐照通量的GNS的能量损失随着扫描速度的增加而增加，并且接收到的辐照通量越大，能量损失随扫描速度的变化就越大。同样，GNSs在不同辐照通量下的摩擦力也随着针头扫描速度的增加而增加。

文章信息

Xinyi Yu, Hongli Li, Xinchen Gao, Muhammad Chhattal, Qingkai Zheng, Wenchao Wu, Zhenbin Gong*, Nong Wang*, and Jiande Liu. Effect of Heavy Ion Irradiation on Friction of GNSs: Implications for Aerospace Lubrication[J]. ACS Appl. Nano Mater., 2024, Publication Date:May 10, 2024.

https://doi.org/10.1021/acsanm.4c01656

作者团队来自兰州交通大学化学与生物工程学院、中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室和中国科学院近代物理研究所。