Продолжаем публикацию отчета об исследованиях углеродных материалов. Их результаты показывают, что для систем твердого углерода химический состав поверхности доминирует в трибологии при отсутствии износа, а базовый химический состав имеет большее значение после преодоления порога износа.

Воздействие состава пленки

Химический состав пленки, особенно на ее поверхности, также оказывает воздействие на трение и износ на наноуровне. Прогнозного понимания этого взаимоотношения еще предстоит достичь, но в данной статье мы рассматриваем результаты и даем комментарии по возникающим тенденциям.

Химический состав поверхности

Низкое макроскопическое трение алмаза в атмосфере (μ = 0.05–0.1) усиливает пассивацию поверхности группами –H и –OH и/или производством элементов с хорошей смазываемостью и sp-связями. Эти идеи проверяются во время нанотрибологических исследований, и за последнее время значительным успехом стала яркая демонстрация того, что –H иглы значительно снижают трение на наноуровне.

Фрикционные свойства монокристаллической поверхности алмаза (111) были изучены в сверхвысоком вакууме (UHV) с помощью кремниевой (Si) иглы АСМ. Присутствие или отсутствие водорода (Н) на поверхности отслеживалось дифракцией медленных электронов (LEED). Удаление водорода с поверхности приводит к увеличению среднего коэффициента трения более чем на два порядка в сравнении с поверхностью, покрытой водородом, при нагрузках до 30 нН. Это яркий и убедительный пример того, как свободные связи могут соединять границу и увеличивать воздействие адгезии на трение, а также того, как пассивация этих вступающих в реакцию связей может значительно ослабить эти силы.

Были проведены дополнительные МД симуляции, их целью стало изучение этого эффекта пассивации водорода на поверхностях алмаза (111), путем насыщения алмаза до 80%, 90% и 100%. Скольжение создается при помощи переменной нагрузки на аморфном углеродном образце, не содержащем водород, после чего производится расчет возникших сил трения. Понижение уровня насыщения на поверхности алмаза усиливает трение, что в количественных цифрах согласовывается с экспериментальным исследованием (Рис. 6).

Также наблюдалось, что более низкая доля покрытия углерода позволяет трибологическим реакциям происходить при нагрузках, более низких, чем в случае 100% покрытия.

Таким образом усиливаются адгезия и износ. МД исследование, проведенное группой Зьянга (Zhang), сравнивало коэффициенты трения между двумя DLC-подобными поверхностями во время скользящего контакта до 100% гидрогенизации и после нее. Было обнаружено, что гидрогенизация поверхности также снижает коэффициент трения.

Рис. 6. Кривые трения для тонкопленочной системы с сопряженной поверхностью, полностью или на 100% покрытой водородом (квадраты), на 90% покрытой водородом (круги) и на 80% покрытой водородом (треугольники).

Для моделирования и отображения распада и последующего поглощения газа H₂ и молекул H2O на алмазе, группа Куи (Qi) использовала расчеты из теории функционала плотности (DFT) для поверхностей алмаза (111), взаимодействующих с окружающими элементами. Для генерирования контурных графиков соотношения локализации электронов и позиции (Рис. 7) была использована функция локализации электронов.

Эти расчеты позволяют предположить, что поглощение и распад H₂ у поверхности весьма желателен и приводит к образованию сильных ковалентных C–H связей. Вода распадается на OH и H, после чего OH формирует ковалентную связь с углеродом, а H размещается на соединении между двумя атомами углерода. Более того, согласно расчетам адгезия слабо действует как для Н-покрытых поверхностей, так и для OH-покрытых поверхностей, соответственно. В случае H-покрытых (111) поверхностей для разделения понадобилось 8 mJm, а в случае OH-покрытых (111) поверхностей – 20 mJm.
 

Рис. 7. Контурные изображения функций локализации электронов (ELF) для неадсорбированного (слева) и адсорбированного (справа) состояний молекул (a) H₂, (b) N₂, и (c) H₂O, которые взаимодействуют с поверхностями алмаза (111). ELF = 1 соответствует локализации (то есть, ковалентной связи), а ELF = 0.5 соответствует вероятности возникновения пары, подобной электронному газу (то есть, металлическая связь). ELF не определена для величин менее 0,5.

Химический состав и нанотрибология обратной стороны пленок из ультрананокристаллического алмаза (UNCD) изучались при помощи игл АСМ из карбида вольфрама и алмаза в условиях окружающего воздуха для того, чтобы определить воздействие водородного покрытия. Полная гидрогенизация поверхности удаляет углерод и кислород с sp-связями, в результате чего происходит ослабление адгезии и трения (Рис. 8).

Таким образом, было продемонстрировано пассивирующее воздействие водорода на нанокристаллический алмаз, находящийся в условиях окружающего воздуха. На самом деле, действие адгезии, измеренной на участке между алмазной иглой и поверхностью гидрогенизированного UNCD, составляет 10.4 ± 4 mJm, что сильно перекликается с вышеуказанными расчетами по DFT.

Тем не менее, это сравнение следует рассматривать осторожно, так как в расчетах по DFT не учитывались взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Факт того, что действие адгезии, возникшее в результате всех остальных неспецифических электронных взаимодействий, которые были спрогнозированы расчетами по DFT (8 mJm), не превышает измеренную величину (10.4 ± 4), демонстрирует обнадеживающую устойчивость. Следует отметить значительное снижение уровня адгезии в сравнении с Si–Si поверхностью.

Рис. 8. Действие адгезии на участке между поверхностями алмазной иглы и UNCD до и после покрытия водородом. Для сравнения были включены результаты для кремниевой иглы, вступающей в контакт с монокристаллической кремниевой (111) подложкой после очистки в специальном растворе.