近日，学校机械工程与智能制造学院，联合浙江大学机械工程学院、韩国延世大学机械工程学院等多单位，在机械工程国际高水平期刊《Friction》（中科院1区top），发表重要基础研究成果（Formation of robust graphene tribofilms on hydrogen-free amorphous carbon/boron carbide periodic nano-multilayer coatings achieving low friction）。论文第一作者为学校机械学院李明峰博士。李明峰博士于今年9月正式入职浙大宁波理工学院，加入陆俊杰教授团队。
摩擦与磨损广泛存在于机械装备运行过程中，是造成能源损耗、零部件失效和装备寿命下降的重要原因之一。尤其在高端装备、精密机械、汽车零部件等领域，关键运动部件长期处于接触和滑动状态，如何在降低摩擦阻力的同时提高耐磨性，一直是表面工程和摩擦学领域的重要研究方向。非晶碳涂层因具有高硬度、耐磨和化学稳定等优势，被认为是很有应用前景的固体润滑与表面防护材料，但无氢非晶碳涂层在普通空气环境下如何实现稳定低摩擦，仍面临较大挑战。
针对这一问题，研究团队设计了一种无氢非晶碳/碳化硼（a-C/B₄C）周期纳米多层涂层。通过对纳米层厚度和周期结构进行优化，研究发现，当调制周期约为4 nm、其中a-C层厚度为1.5 nm时，涂层表现出优异的减摩抗磨性能，在室温空气环境下摩擦系数可降低至约0.075，磨损率达到10-10 mm³/(N·mm)量级。
图为不同涂层的摩擦行为：(a) 摩擦系数曲线；(b) 磨损率
研究团队发现，这种涂层在反复摩擦过程中能够在接触界面“自己形成”一层具有润滑作用的多层石墨烯摩擦膜。通俗地说，就像给摩擦界面生成了一层极薄的“固体润滑保护膜”，使原本较大的直接接触阻力转化为石墨烯层间较容易发生的滑移，从而降低摩擦并减少材料磨损。同时，周期纳米多层结构还能够更合理地分散载荷和应力，使涂层在长期摩擦过程中具有更好的稳定性。
图为a-C1.5涂层摩擦后的(a)拉曼图像和(b)磨损堆积处的HRTEM图像
从实际应用角度看，这种设计最大的特点之一，是不需要额外添加二维润滑材料，也不依赖特殊气氛或复杂的对偶表面处理，在普通空气环境下即可发挥减摩作用。它有望将“润滑功能”直接集成到零部件表面的防护涂层中，为机械运动部件提供更加轻量化、长寿命的表面保护方案。
研究成果未来可为精密轴承、齿轮传动、机械密封等关键摩擦副部件的表面防护提供材料设计思路。这些部件广泛应用于高端装备、汽车零部件和精密机械等领域，其摩擦性能直接关系到装备能效、运行稳定性和使用寿命，因此，该研究在节能降耗、降低维护成本以及提升关键部件服役可靠性等方面具有潜在应用价值。
学校将以此次研究成果为契机，进一步加强材料、机械、计算模拟和先进表征等方向的交叉融合，围绕高端装备关键零部件减摩、抗磨和长寿命服役需求，持续推进先进表面工程与功能涂层研究，推动科研成果与产业实际需求相结合，为高端装备制造、绿色制造和节能降耗提供科技支撑。
