金刚石-石墨烯异质结构涂层介绍

金刚石和石墨烯固有的脆性和缺乏自我支撑能力限制了它们在耐用润滑系统中的应用。然而，在金刚石涂层上预先封装柔性石墨烯具有巨大的潜力，可在高温摩擦应用中平衡脆性和韧性。本文，华南理工大学Shu Xiao等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“High-Temperature Friction and Oxidation Resistance of Self-Sacrificial Diamond-Graphene Heterostructures Coatings”的论文，研究利用热丝化学气相沉积技术，在原位合成了具有半相干界面的金刚石-石墨烯异质结构涂层，其特点是强力粘合中夹杂着位错缺陷。

得益于增强的界面强度和捕氧能力的协同效应，这些涂层在不同温度下的摩擦性能提高了 35% 以上。实验和计算分析表明，坚固的界面有利于能量传递，使石墨烯能够在脆性金刚石发生灾难性破坏之前，以自我牺牲的方式进行弹性调整和应力消散。此外，石墨烯层内的工程缺陷可作为氧原子的优先吸附点，形成高能量屏障，阻止氧气扩散到金刚石内部。这些结果揭示了界面强度和缺陷工程对金刚石-石墨烯异质结构涂层的影响机制，为下一代高温摩擦应用材料奠定了基础。

图文导读

图1.金刚石-石墨烯异质结构涂层的制备过程示意图。

图2.金刚石-石墨烯异质结构涂层的 STEM 表征。

图3.金刚石和金刚石-石墨烯异质结构涂层的形态学、微观结构、形貌和润湿性表征。

图4.金刚石和金刚石-石墨烯异质结构涂层的结构表征。

图5.金刚石和金刚石-石墨烯异质结构涂层的摩擦学特性。

图6.金刚石和金刚石-石墨烯异质结构涂层在高温下暴露后的划痕测试.

图7.有缺陷的金刚石和金刚石-石墨烯结构的 DFT 计算.

图8.金刚石-石墨烯异质结构涂层机理的示意图显示了金刚石和石墨烯层之间形成的稳健界面以提高耐磨性，以及石墨烯表面位置的优先氧吸附以增强抗氧化性。

小结

实验证明了具有半相干界面的金刚石-石墨烯异质结构涂层的耐摩擦性和抗氧化性。实验和理论计算结果揭示了金刚石和石墨烯之间的界面相互作用及其摩擦和氧化行为。在金刚石-石墨烯异质结构涂层中，原位制备出了半相干界面，其特征是稳固的结合区域与位错缺陷交织在一起。稳固的结合界面有利于有效的能量和应力传递，从而使柔性石墨烯在脆性金刚石发生裂纹扩展和灾难性破坏之前，以自我牺牲的方式进行弹性调整和应力消散。此外，石墨烯层中的工程缺陷可作为氧气吸附的活性位点，从而形成高能量屏障，防止氧气扩散到更深的金刚石基体中。此外，具有稳定C-O键的氧化石墨烯层可防止直接接触，并在摩擦界面实现层间剪切滑动。得益于增强的附着强度和抗氧性，金刚石-石墨烯异质结构涂层在不同温度下的摩擦性能比金刚石涂层提高了 35% 以上。这项研究阐明了金刚石-石墨烯异质结构涂层摩擦性和抗氧化性增强的机理，为高温摩擦应用揭示了一种前景广阔的策略。