本文旨在尋求減少摩擦和磨損以促進(jìn)移動(dòng)機(jī)器部件節(jié)能和可靠性。在這項(xiàng)工作中，我們通過分子動(dòng)力學(xué)模擬證明了石墨烯包覆的二氧化硅納米顆粒薄膜在金剛石(1 1 1)表面的超低摩擦。通過將2.7nm大小的二氧化硅納米顆粒包裹在C
720富勒烯籠中制備包覆納米顆粒，用于構(gòu)建具有面心立方(1 1 1)結(jié)構(gòu)的單層膜。結(jié)果表明，對(duì)于高達(dá)18 GPa的載荷，摩擦系數(shù)超低，μ~0.07。超低摩擦和高抗壓強(qiáng)度歸因于涂層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將C
720富勒烯優(yōu)異的低摩擦系數(shù)與二氧化硅納米顆粒的納米承載能力協(xié)同起來。實(shí)現(xiàn)涂層納米顆粒薄膜的超低摩擦有可能提高機(jī)器和設(shè)備的可靠性，延長(zhǎng)其工作壽命，同時(shí)降低其運(yùn)行能耗要求。
圖1. 初始涂層二氧化硅納米顆粒結(jié)構(gòu)模型模擬圖。(a)C
720富勒烯結(jié)構(gòu)。(b)由無定形二氧化硅結(jié)構(gòu)雕刻而成的二氧化硅納米顆粒。紅色和藍(lán)色的球體分別表示硅原子和氧原子。(c)包覆納米顆粒，其中球形二氧化硅納米顆粒被C
720富勒烯包裹，并在300K下弛豫。(d)納米顆粒膜由緊密堆積的FCC(1 1 1)單層超晶胞組成。(e)納米顆粒薄膜夾在金剛石片中間。不同的顏色表示模型中的不同原子群。紅色區(qū)域是運(yùn)動(dòng)控制部分，允許系統(tǒng)沿紅色箭頭方向移動(dòng)，而下部金剛石片的黑色區(qū)域保持固定。
圖2. 包覆單層納米顆粒、C
720富勒烯和二氧化硅納米顆粒膜在壓縮加載和卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(a)不同系統(tǒng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）包覆納米顆粒膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，包括不同壓力時(shí)的卸載曲線。
圖3. C
720球體參數(shù)
a和
c隨應(yīng)力的變化。(a)球體形狀描述：參數(shù)
a和
c分別表示赤道半徑和從中心到兩級(jí)的距離。(b)球體參數(shù)隨外加壓應(yīng)力的變化。（c） 20GPa壓應(yīng)力下包覆納米顆粒膜的結(jié)構(gòu)。
圖4.包覆納米顆粒膜模型的摩擦力和摩擦系數(shù)。
圖5. 在摩擦模擬過程中，不同基團(tuán)之間產(chǎn)生的鍵的數(shù)量與外加應(yīng)力的關(guān)系。
相關(guān)研究成果由南加州大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)系Haoxuan Li等人于2022年發(fā)表在Computational Materials Science(https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.111184)上。原文：Ultralow friction of graphene-coated silica nanoparticle film。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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