研究揭示硬质合金基材表面石墨烯涂层原位自适应生长的竞争反应机制

摩擦磨损是引起能源损耗及工程装备关键运动部件失效的关键因素，新型固体润滑涂层及沉积技术可为工程装备提质延寿提供有效的途径。石墨烯具备的优异机械特性，使其在固体润滑领域显示出潜在减磨应用前景。然而，在工业应用中实现连续态石墨烯的原位生长仍存在挑战。

近日，由华南理工大学、广东省科学院新材料研究所（以下简称省科学院新材料所）和香港城市大学共同组成的研究团队，采用高温固溶和竞争催化反应调控策略，在硬质合金（WC-Co）基材上实现了高质量石墨烯涂层的原位自适应生长，使得硬质合金的润滑性能得到极大提升。

进一步地，研究团队通过第一性原理模拟揭示了Co原子作为抑制剂，以非成键形式与Ni原子竞争，并从C中获得的电子，减弱了NiC键合，降低了能量损耗，从而促进了石墨烯自适应生长。这种竞争反应引起的弱键合效应通过降低石墨烯涂层表面滑动能垒与界面分离功，进而降低了表面摩擦。

图1：硬质合金基材表面石墨烯涂层原位生长过程及界面结构TEM表征图

图2：硬质合金基材表面石墨烯涂层的摩擦性能及表界面结构表征图

图3：基于第一性原理的摩擦行为模拟及竞争反应机制示意图

借鉴该竞争反应策略，有望将硬质合金基材扩展到由具备竞争催化反应金属特性所组成的各种工业材料表面，以实现石墨烯涂层的工程化减摩应用。

该研究成果发表于国际碳材料顶级期刊Carbon（Q1，TOP期刊，IF=10.9）。省科学院新材料所为第二单位，林松盛教授级高级工程师为共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金和广东省科学院发展专项资金等项目的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118561

供稿|真空镀膜研究室

供图|真空镀膜研究室