非晶碳（amorphous carbon，a-C）固体润滑薄膜与表面织构化结合的协同润滑技术，是满足动态机械表面耐磨润滑性能要求、延长其使用寿命、实现高可靠运行的有效途径。但摩擦磨损与材料表/界面结构密切相关，不同表面织构化参数、固液复合下极端工况的耦合效应以及选择性氢化引起界面相互作用的转变，会影响摩擦特性、润滑油流动和结构交联等基本理化性能。此外，实验原位表征技术的限制导致无法清晰阐释内在摩擦机理，无法深入理解其原子尺度的本质。近期，我院李晓伟教授团队在织构化a-C薄膜的润滑机理方面取得一系列进展。

首先，围绕a-C薄膜表面织构的参数优化、实时表征导致内在机理不明的关键科学问题，开展了干摩擦/油润滑条件下不同织构参数的筛选和润滑机理的综合研究。揭示了表面织构对流体动力润滑的促进作用和干摩擦下C-C键合引起的界面交联，织构深度的增加导致界面润滑状态的可能性转变，而织构宽度的变化决定流体润滑状态的有效程度。进一步研究发现，在不同油含量和接触压强的耦合工况下，最佳参数体系的润滑表现取决于界面钝化程度与流体动力润滑效果之间的竞争。此外，极端压强下织构层的坍塌会引起润滑油的异常流动，这对减摩是不利的。以上结论为在微机电、磁盘保护中a-C固体润滑薄膜的结构设计和应用提供了良好的理论依据。相关研究成果形成题为“Friction dependence on the textured structure of an amorphous carbon surface: A reactive molecular dynamics study”（DOI：10.1016/j.apsusc.2022.155584）、“Atomistic insights into interfacial optimization mechanism for achieving ultralow-friction amorphous carbon films under solid–liquid composite conditions”（DOI：10.1021/acsami.3c12838）的论文，分别发表在国际期刊Applied Surface Science（JCR一区，中科院二区Top期刊，影响因子6.7）、ACS Applied Materials & Interfaces（JCR一区，中科院二区Top期刊，影响因子9.5）。论文均以中国矿业大学为第一单位、硕士研究生杜乃洲为第一作者、李晓伟教授为通讯作者。

其次，将氢原子选择性引入织构化表面可降低界面交联程度，从而显著提高界面的摩擦稳定性。这将改善真空或惰性环境下运动机械部件的摩擦性能和使用寿命。然而，缺乏不同摩擦条件下接触界面的结构信息，协同润滑机理阐释不充分。通过反应分子动力学模拟，系统研究了干摩擦/油润滑条件下氢原子的流动和复合润滑行为及界面结构演变。研究发现：摩擦行为强烈依赖于表面氢含量。

干摩擦条件下，氢原子通过大量占据a-C表面活性位点来隔离自配a-C表面，滑动过程中-CH团簇的分离与重键行为进一步增强接触界面的排斥作用，显著降低了体系的摩擦力。油润滑条件下，润滑机理主要归因于真实摩擦界面由油/油转变为油/氢化凸起。据此可开发长寿命的新型润滑系统。相关研究成果分别形成题为“Unraveling the friction response from selective hydrogenation of textured amorphous carbon surface”（DOI：10.1016/j.apsusc.2022.156246）、“Friction reactions induced by selective hydrogenation of textured surface under lubricant condition”（DOI：10.1007/s40544-023-0772-4）的论文，分别发表在国际期刊Applied Surface Science（JCR一区，中科院二区Top期刊，影响因子6.7）、Friction（JCR一区，中科院一区Top期刊，影响因子6.8）。论文均以中国矿业大学为第一单位、硕士研究生杜乃洲为第一作者、李晓伟教授为通讯作者。

图1 （a）织构表面参数调控及摩擦机理研究（b）固液复合条件下超低摩擦的界面优化机制

图2 干摩擦和油润滑条件下选择性氢化对比研究