基于原子级缺陷的结构超润滑系统及其制造方法 |
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| 申请号 | CN202211156278.9 | 申请日 | 2022-09-19 | 公开(公告)号 | CN117759856A | 公开(公告)日 | 2024-03-26 |
| 申请人 | 清华大学; | 发明人 | 李群仰; 张帅; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供了基于 原子 级 缺陷 的结构超润滑系统及其制造方法。结构超润滑系统包括基底材料和滑 块 ，基底材料上设置有原子级缺陷，滑块置于基底材料上且位于原子级缺陷所在的部位，原子级缺陷能够使滑块在基底材料上沿不同方向滑动时，滑块与基底材料之间的 摩擦 力 大小不同，原子级缺陷包括基底材料上供滑块滑动的平面不连续的部位和/或材料取向不连续的部位。结构超润滑系统的制造方法包括提供基底材料，通过机械剥离、化学 刻蚀 、 电子 束刻蚀、原子力 显微镜 探针刻蚀、离子束轰击或电子束轰击的方法制造平面不连续的部位或通过 化学气相沉积 生长的方法制造取向不连续的部位，提供滑块，将滑块置于平面不连续的部位或材料取向不连续的部位。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于原子级缺陷的结构超润滑系统，其特征在于，所述结构超润滑系统包括基底材料(1)和滑块(6)，所述基底材料(1)上设置有原子级缺陷，所述滑块(6)置于所述基底材料(1)上且位于所述原子级缺陷所在的部位，所述原子级缺陷能够使所述滑块(6)在所述基底材料(1)上沿不同方向滑动时，所述滑块(6)与所述基底材料(1)之间的摩擦力大小不同， |
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| 说明书全文 | 基于原子级缺陷的结构超润滑系统及其制造方法技术领域背景技术[0002] 摩擦广泛存在于工业生产中，据不完全估算，工业生产中约1/3的一次性能源的消耗与摩擦过程相关，摩擦及其引发的磨损也是80％机械零部件失效的主要原因。有效地降低摩擦和控制磨损对设备可靠性的提高和能源的高效利用具有重要意义。 [0003] 结构超润滑是指固体滑动界面由于非公度接触使得摩擦力几乎为零的现象。两个晶体表面非公度接触滑动时，由于原子之间侧向力相互抵消导致系统整体摩擦力几乎为零。虽然人们在多种材料体系下观察到了结构超润滑行为，但是对于一个沿各个滑动方向都几乎为零摩擦的超润滑界面，如何对摩擦副的运动进行有效的控制仍是一个亟需解决的问题。现有的实验和理论研究表明，对于同质或异质超润滑体系，由于非公度接触状态，其滑动摩擦力沿各个滑动方向均相对较低。在实际应用中，如何在不添加外界约束的条件下控制界面的相对运动，实现定向的超润滑行为，目前仍不得而知。发明内容 [0004] 本申请提供了基于原子级缺陷的结构超润滑系统及其制造方法。 [0005] 该结构超润滑系统包括基底材料和滑块，所述基底材料上设置有原子级缺陷，所述滑块置于所述基底材料上且位于所述原子级缺陷所在的部位，所述原子级缺陷能够使所述滑块在所述基底材料上沿不同方向滑动时，所述滑块与所述基底材料之间的摩擦力大小不同， [0006] 所述原子级缺陷包括所述基底材料上供所述滑块滑动的平面不连续的部位和/或材料取向不连续的部位。 [0007] 在至少一个实施方式中，所述基底材料包括层叠设置的第一结构层和第二结构层，所述第一结构层位于所述第二结构层的上方，所述第一结构层和所述第二结构层未完全重叠，所述第一结构层和所述第二结构层之间形成台阶结构，所述原子级缺陷包括所述台阶结构， [0008] 所述台阶结构包括作为所述基底材料的一部分表面的踏面和垂直于所述踏面的踢面， [0009] 所述基底材料的表面包括第一方向和第二方向，所述第一方向垂直于所述台阶结构的所述踢面和所述踏面的交界线，所述第二方向沿着所述交界线。 [0010] 在至少一个实施方式中，所述台阶结构包括单条原子级台阶，所述滑块位于所述单条原子级台阶上，并且所述滑块同时接触所述第一结构层和所述第二结构层，[0011] 所述滑块沿非所述第二方向的其他方向行进的摩擦力大于沿所述第二方向行进的摩擦力。 [0012] 在至少一个实施方式中，所述台阶结构包括至少两条原子级台阶。 [0013] 在至少一个实施方式中，所述台阶结构包括位于相同层的踢面平行的两条原子级台阶，所述滑块设置于所述位于相同层的踢面平行的两条原子级台阶上，并且所述滑块接触所述第一结构层， [0014] 所述滑块沿非所述第二方向的其他方向行进的摩擦力大于沿第二方向行进的摩擦力。 [0015] 在至少一个实施方式中，所述基底材料包括第三结构层，所述第三结构层位于所述第二结构层的下方，所述台阶结构包括位于不同层的踢面平行的两条原子级台阶，所述滑块设置于所述位于不同层的踢面平行的两条原子级台阶上，并且所述滑块接触所述第一结构层、所述第二结构层和所述第三结构层， [0016] 所述滑块沿非所述第二方向的其他方向行进的摩擦力大于沿第二方向行进的摩擦力。 [0017] 在至少一个实施方式中，所述台阶结构包括踢面相交的两条原子级台阶，两踢面的夹角不小于30°， [0018] 在所述滑块设置于所述踢面相交的两条原子级台阶的交汇点上的情况下，所述滑块在所述基底材料的表面内任意方向行进的摩擦力大于处于超润滑状态下的所述滑块与所述基底材料之间的摩擦力。 [0019] 在至少一个实施方式中，所述原子级缺陷包括晶界，所述滑块设置于所述晶界上，[0020] 所述滑块沿所述晶界的延伸方向行进的摩擦力小于所述滑块沿其他方向行进的摩擦力。 [0021] 在至少一个实施方式中，所述原子级缺陷包括原子级空位缺陷，所述滑块设置于所述原子级空位缺陷上， [0022] 所述滑块沿所述原子级空位缺陷的延伸方向行进的摩擦力小于所述滑块沿垂直于所述原子级空位缺陷的延伸方向行进的摩擦力。 [0023] 本申请提供了一个上述基于原子级缺陷的结构超润滑系统的制造方法，其包括：提供所述基底材料； [0025] 提供所述滑块；以及 [0026] 将所述滑块置于所述平面不连续的部位。 [0027] 本申请还提供了另一个上述基于原子级缺陷的结构超润滑系统的制造方法，其包括：提供所述基底材料； [0029] 提供所述滑块；以及 [0030] 将所述滑块置于所述材料取向不连续的部位。 [0031] 通过机械剥离、化学刻蚀、电子束刻蚀、原子力显微镜探针刻蚀、离子束轰击、电子束轰击或化学气相沉积的方法制备所述原子级缺陷。 [0034] 图1A、图1B、图1C、图1D示出了根据本申请实施例一的结构超润滑系统的四种原子级台阶的示意图。 [0035] 图2A、图2B、图2C、图2D示出了根据本申请实施例一的结构超润滑系统的滑块位于原子级台阶上的示意图。 [0036] 图3A、图3B示出了根据本申请实施例二的结构超润滑系统的晶界的示意图及滑块位于晶界上的示意图。 [0037] 图4A、图4B示出了根据本申请实施例三的结构超润滑系统的原子级空位缺陷的示意图及滑块位于原子级空位缺陷上的示意图。 [0038] 附图标记说明 [0039] 1 基底材料； [0040] 2 单条原子级台阶； [0041] 3 位于相同层的踢面平行的两条原子级台阶； [0042] 4 位于不同层的踢面平行的两条原子级； [0043] 5 踢面相交的两条原子级台阶； [0044] 6 滑块； [0045] 7 晶界； [0046] 8 原子级空位缺陷 具体实施方式[0047] 下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。 [0048] 本申请提供了基于原子级缺陷的结构超润滑系统(后面，有时简称“调控方法”)及其制造方法，用于解决现有结构超润滑系统中滑块与基底材料的摩擦力呈现各向同性，而难以对摩擦副的运动行为进行定向控制或锚定的问题。 [0049] 结构超润滑系统可以包括基底材料1和滑块6。原子级缺陷可以包括基底材料1上供滑块6滑动的平面不连续的部位和/或材料取向不连续的部位，其中的原子级指缺陷的尺寸量级。原子级缺陷可以为位于基底材料1上的台阶结构、晶界、原子级空位缺陷等。通过将滑块6设置于原子级缺陷上，可以控制滑块6与基底材料1之间的摩擦性能，例如使滑块6在基底材料1上沿不同方向滑动时，滑块6与基底材料1之间的摩擦力大小不同。 [0050] 实施例一 [0051] 可以通过在结构超润滑系统的超润滑界面引入原子级高度的台阶，来实现对超润滑行为的主动调控。基底材料1可以包括层叠设置的第一结构层和第二结构层，第一结构层和第二结构层未完全重叠，两者之间形成台阶结构。第一结构层位于第二结构层的上方，台阶结构可以包括作为基底材料1的表面的一部分的踏面和垂直于踏面的踢面(图中未表现出该踢面)，基底材料1的表面是用于载置滑块6的面。在基底材料1所在的平面上，垂直于踢面与踏面的交界线的方向定义为第一方向X，沿该交界线的方向定义为第二方向Y。 [0052] 示例性地，以台阶为调控手段的结构超润滑系统的制造方法可以包括以下步骤。 [0053] 步骤1：选用具有超润滑性能的材料作为基底材料1，例如具有层状结构的天然石墨或者高定向裂解石墨(HOPG)等； [0054] 步骤2：通过机械剥离的方式，在基底材料1表面制备获得具有原子级高度的台阶结构，四种典型的原子级台阶结构如图1A、图1B、图1C、图1D所示，分别为单条原子级台阶2、位于相同层的踢面平行的两条原子级台阶3、位于不同层的踢面平行的两条原子级台阶4以及踢面相交的两条原子级台阶5；此处原子级台阶的典型高度(或称厚度)可以为0.3nm～1nm；图1B中两条踢面平行的原子级台阶的凹槽宽度和图1C中两条踢面平行原子级台阶的左右方向的距离可以为10nm～100nm；图1D中原子级台阶之间的夹角可以为30°到90°；当然，也可以通过化学刻蚀、电子束刻蚀及原子力显微镜探针刻蚀等方法来制备上述台阶； [0056] 步骤4：金属薄膜在惰性气体(例如氩气和氢气)的保护氛围下进行高温退火(温度例如为350～500摄氏度)，获得尺寸为纳米量级的金属材质的滑块6，如图2A、图2B、图2C、图2D所示，此种方法获得的滑块6的横向面积(或称滑块6的平行于基底材料1的表面的所在面 2 2 的面积)可以为500nm到10000nm；当然，也可以通过操控原子力显微镜探针，将处于其他位置的提前制备好的滑块6转移至原子级台阶上方；当然，也可以选用其他具有超润滑性质的滑块，例如石墨、石墨烯等层状材料构成的超润滑滑块； [0057] 位于不同类型原子级台阶上方的滑块6的滑动行为将会受到原子级台阶的影响，表现出不同的滑动行为。 [0058] 如图2A所示，当滑块6位于单条原子级台阶2上方时，滑块6同时接触第一结构层和第二结构层。此时滑块6沿第二方向Y运动时的摩擦力较小(如图2双箭头实线所示)，仍属于超润滑；滑块6沿非第二方向Y的其它方向(例如第一方向X)运动时的摩擦力较大(如图2双箭头虚线所示)，且台阶越高，摩擦力越大。滑块6的运动受到原子级台阶的限制，实现了定向的超润滑行为。 [0059] 如图2B所示，滑块6可以接触位于相同层的踢面平行的两条原子级台阶3，且滑块6接触第一结构层(在可选的方案中，滑块6不接触第二结构层)。如图2C所示，基底材料还可以包括第三结构层，第三结构层位于第二结构层的下方。滑块6可以设置于位于不同层的踢面平行的两条原子级4上方，并同时接触第一结构层、第二结构层、第三结构层。 [0060] 可以理解，这两个实施方式中，两条台阶的存在将进一步限制滑块6沿非第二方向Y(例如第一方向X)的运动(如双箭头虚线所示)，但是沿第二方向Y的运动仍可保持超润滑状态(如双箭头实线所示)，因此滑块6可以实现定向的超润滑行为。需要指出的是，相比于单条原子级台阶2，两条踢面平行的原子级台阶的存在，将使滑块沿非第二方向Y(例如第一方向X)运动时所受的摩擦力更高，因此对运动的限制将更加显著。当然，踢面平行的原子级台阶还可以有更多层。 [0061] 如图2D所示，滑块6可以接触于踢面相交的两条原子级台阶5的交汇点，两台阶踢面的夹角可以不小于30°，此时台阶的存在将显著提高滑块6沿各个方向的摩擦力，限制滑块6的沿各个方向的超润滑行为，滑块6在一定程度上会被锚定在原子级台阶的交汇点处。特别是当两条台阶的踢面的夹角为90°时，滑块6受到的摩擦力相对较大。 [0062] 综上，通过在超润滑界面引入不同类型的原子级台阶，可以实现对结构超润滑系统的表面摩擦起到不同的调控效果，例如引入单条原子级台阶或两条踢面平行的原子级台阶，可实现定向的超润滑滑动；而引入踢面相交的两条原子级台阶，则可对界面沿各个方向的滑行为进行限制，实现对超润滑界面行为的控制。 [0063] 实施例二 [0064] 参见图3A、图3B，还可以利用晶界7来替代台阶。材料结构相同但取向不同的材料中会形成一条晶界7，滑块6在晶界7上方运动即会产生类似单条原子级台阶2的摩擦调控效果。滑块6沿晶界7的延伸方向行进的摩擦力小于滑块6沿其他方向行进的摩擦力。图3A中的箭头方向即为材料的取向。晶界7可以通过化学气相沉积生长的方式制备。 [0065] 实施例三 [0066] 参见图4A、图4B，还可以利用原子级空位缺陷8来替代台阶。可以在材料相同、取向也相同的材料中通过离子束或电子束轰击等方式，在材料表面制备出可控的原子级空位缺陷8。滑块6在该原子空位缺陷上方运动即可产生类似位于相同层的踢面平行的两条原子级台阶3的摩擦调控效果。滑块6沿原子级空位缺陷8的延伸方向行进的摩擦力小于滑块6沿其它方向(例如垂直于原子级空位缺陷8的延伸方向)行进的摩擦力。当然还可以制备更复杂的原子级空位缺陷，实现更多的摩擦调控效果。 [0067] 本申请通过在超润滑界面引入原子级缺陷的方式来实现摩擦性能的各向异性，进而达到对摩擦副运动的主动控制。例如通过原子级台阶的类型，既可以通过引入单条原子级台阶2或者两条踢面平行的原子级台阶实现一维定向(例如沿第二方向Y)的超润滑运动，也可以通过引入两条具有夹角的原子级台阶5实现对各个滑动方向运动的限制，为实现超润滑在实际应用中的主动控制提供了一种全新的策略。 [0068] 当然，还可以将金属作为基底材料，将具有超润滑性能的石墨作为滑块，上述的原子级缺陷仍能够在此滑动界面生效。 [0069] 可以理解，本申请所列参数仅为一些典型参数，本申请不限制滑块与基底材料的具体参数。 [0070] 尽管已经参照示例性实施方式说明了本申请，但是应当理解，本申请不限于所公开的示例性实施方式。本领域技术人员可以在本申请的教导下对上述实施方式做出各种变形和改变，而不脱离本申请的范围。以下进行补充说明。 [0071] i.在本申请中，为了便于对技术方案的说明和理解，将台阶的彼此垂直的两个平面命名为“踏面”和“踢面”，但是这两面并不确实地实现所谓的踢踏功能。 [0072] ii.在本申请中，“平行”和“垂直”并非严格遵循宏观几何学意义上的定义，而是在超润滑领域内符合该领域技术人员对该原子级缺陷结构认知所理解的平行和垂直。 |
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