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接触电子与应力协同作用下碳膜超低摩擦研究

电接触元件的力学性能以及电接触表面的摩擦磨损直接影响到整个电接触系统的精度、可靠性和耐久性[1]，碳膜由于其多样的键合结构和自组链形式被应用在微机电器件表面[2]。然而其在应力和电子耦合作用下的力学和摩擦学特性影响研究还较少[3]，有效利用其电接触特性和载流条件下产生的低摩擦是非常有意义的。本研究利用导电纳米压痕系统对不同纳米结构碳膜在接触电子作用下的力学稳定性进行研究，结果表明石墨烯纳晶碳膜有优异的载流能力，电接触下力学特性稳定。非晶碳膜力学性能随接触电压增高后先增加后发生突降，透射电子显微镜原位观察测试发现在接触电子作用下，接触区域由非晶结构转变为石墨烯纳晶结构。鉴于石墨烯纳晶结构具有低剪切强度[4]，进一步研究了接触电子与界面应力协同作用下超低摩擦特性及机理。发现通过在摩擦界面上施加平行电流（电场方向与滑动方向平行）诱导碳膜滑动界面的低摩擦特性，摩擦系数降低到0.014，磨合周期缩短且碳膜耐磨性得到有效提高。对摩擦界面的表征分析得到超低摩擦的机理归因于具有足够能量的电子诱发非晶结构向纳晶结构转变，且平行于电子传输方向的剪切应力诱发大尺寸石墨烯片界面形成。研究成果为碳膜在电接触表面的应用起到了推动作用。