Friction: sp²纳晶碳膜粘滑摩擦特性的透射电镜原位研究

以下内容转载自公众号“清华大学摩擦学国家重点实验室”，部分内容有增减。原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/mtHeiNZQBDLHdOENPtxGxw 

粘滑摩擦是滑动过程中的常见现象，出现粘滑摩擦会增加摩擦过程的不稳定性，并降低摩擦表现。其主要受滑动过程中接触面积和纳米结构的影响。然而，粘滑过程中摩擦接触界面的动态过程仍然是一个看不见、摸不着的黑箱状态。透射电子显微镜是目前唯一能够进行原子尺度结构观测的工具，能够实现微纳尺度上表征高真空环境中的滑动界面，在消除外部环境影响下分析纳米尺度的材料转变机制。sp²纳晶碳膜在宏观下表现出优异的低摩擦性能。然而其在纳米刻划中表现出不同程度的粘滑摩擦现象，起源机制尚不清楚。图1显示了透射电镜下原位摩擦测试示意图。本研究首次通过原位透射电子显微镜观测摩擦过程中的结构演化，并进行接触界面分析，阐明了sp²纳晶碳膜的粘滑摩擦机理，对其微纳米尺度应用具有重要意义。

本研究通过电子回旋共振等离子体溅射系统在封闭式磁场和发散式磁场下分别施加+20 V和-20 V的偏压制备出不同纳米结构的sp²纳晶碳膜。sp²纳晶碳膜直接沉积在前端平台宽度为150 nm的楔形硅基体上，原位观察电子束可以直接穿过碳膜进行成像。如图2所示，利用透射电镜原位摩擦测试，观察金刚石探针与碳膜滑动过程中的接触界面并同时获得载荷、摩擦力及位移曲线，分析粘滑的动态过程、界面接触面积和剪切强度变化，阐明了两种不同结构的sp²纳晶碳膜的粘滑摩擦机理。

为对比，本研究还通过台式纳米压痕仪TI950（最新型号为TI980）做了大气环境下的纳米划痕测试，获得一系列不同照射粒子和能量的sp²纳晶碳膜的摩擦行为，验证了粘滑摩擦机理（图3）。值得一提的是，设备自带SPM功能，可以直接获得划痕的三维形貌，辅助观察磨损过程。

鉴于摩擦磨损行为与表面形貌和力学性能直接相关，纳晶碳膜的表面形貌和力学性能表征（图4）也在本研究中使用。结果显示，负基底偏压制备的纳晶碳膜具有较低的表面粗糙度和较高的硬度及模量。

综上所述，本研究基于透射电镜原位摩擦研究，阐明粘滑摩擦的起源与剪切应力和塑性变形有关：粘着阶段，剪切应力随接触增强而增加直至打破界面粘附的临界剪切强度；滑动阶段，剪切应力降低并伴随塑性变形的发生。较高原子密度、较低表面粗糙度和较高硬度的碳膜在刻划过程中发生犁削变形，接触面积稳定，刻划平稳；反之，碳膜发生粘附变形，粘滑严重，造成大面积塑性变形。大气环境下的纳米划痕测试结果也验证了sp²纳晶碳膜粘滑摩擦机理。这些机理研究有助于理解纳晶碳膜在微纳尺度的摩擦表现，推动其在微纳米器件中的应用。

本文相关链接：

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s40544-021-0551-z 

Hysitron TI 980 纳米压痕简介：https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/nanomechanical-test-systems/hysitron-ti-980-nanoindenter.html

原位纳米压痕仪PI95简介：

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/nanomechanical-instruments-for-sem-tem/hysitron-pi-95-tem-picoindenter.html