金刚石-石墨烯异质结构涂层的高温摩擦和抗氧化性能

以碳基材料为对象，研究开发其作为高温固体润滑材料，以求充分利用金刚石的超高硬度、化学稳定性和导热性，石墨烯的柔韧性和自润滑特性，并寻求解决金刚石的脆性和石墨烯的自支撑能力。

由华南理工大学、广东省科学院新材料研究所（以下简称省科学院新材料所）和香港城市大学共同组成的研究团队，成功地在金刚石涂层表面原位生长石墨烯涂层，构建出具有半相干界面的异质结构涂层。这种独特的界面结构既包含强健的化学键合，又具有特定的错位缺陷，实现了材料性能的最优平衡，使得高温摩擦性能得到极大提升。

图1:金刚石-石墨烯异质结构涂层的STEM表征图

图2:金刚石-石墨烯异质结构涂层高温摩擦和抗氧化机理示意图

进一步的，研究团队通过分子动力学和第一性原理模拟计算揭示了两个关键影响机制。首先，强韧的界面促进了能量传递，使柔性石墨烯能够充当"守护者"的角色。当涂层承受应力时，石墨烯层会率先进行弹性调节和应力消散，以自我牺牲的方式保护脆性的金刚石免于灾难性破坏。其次，研究团队在石墨烯层中精心设计的缺陷起到了"捕氧器"的作用。这些缺陷为氧原子提供了优先吸附位点，在材料表面构建起抵御氧气渗透的能量屏障，有效防止金刚石内部被氧化。同时，表面形成的氧化石墨烯层能够减少直接接触，实现界面间的层间滑移，进一步改善摩擦性能。

这项研究不仅揭示了提升金刚石-石墨烯异质结构涂层性能的关键机制，更为开发下一代高温摩擦应用材料提供了新思路。通过界面强度调控和缺陷工程的创新设计，研究团队成功实现了材料在高温环境下的优异摩擦和抗氧化性能。

该研究成果受邀作为封面论文（遴选中）发表于国际权威期刊Carbon（Q1，TOP期刊，IF=10.5）。其中，林松盛教授级高级工程师为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金和广东省科技计划项目的支持。

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供稿|真空镀膜研究室

供图|真空镀膜研究室