通过直流溅射沉积的镍薄膜的热学、电学和磁学特性研究

《Results in Surfaces and Interfaces》：The thermal, Electrical, and magnetic characterization of Nickel thin films deposited via dc sputtering

本研究通过对比两种二维芳香聚酰胺（2DAPA）的结晶度对润滑性能的影响，发现高结晶度的2DAPA-240 min作为PEG400添加剂时，摩擦系数稳定在0.05，磨损体积减少29.10%。机制包含纳米片机械剥离形成物理防护层，以及-NH2基团化学吸附和FeCl3/Fe3O4等表面氧化膜协同作用。该研究为二维材料在精密润滑中的应用提供了理论支撑。

　　本研究围绕一种新型二维芳香聚酰胺材料（2DAPA）在聚乙二醇400（PEG400）润滑体系中的摩擦学性能及其润滑机制展开。2DAPA分为两种类型，分别为具有正常结晶度的2DAPA-15 min和具有高结晶度的2DAPA-240 min。研究通过实验对比，发现添加1.00 wt.-%的2DAPA-240 min后，PEG400的抗磨损性能显著提升，其磨损体积减少了29.10%，摩擦系数稳定在约0.05的水平，远优于2DAPA-15 min的性能表现。这一成果不仅展示了2DAPA在摩擦学性能方面的潜力，也为开发高性能润滑剂提供了坚实的理论依据。

### 2DAPA的结构与性能

2DAPA是一种新型的二维共价有机框架（COFs）材料，其独特的分子结构赋予了它优异的绝缘性和高强度。在实验中，研究人员通过球磨法合成2DAPA，并发现延长球磨时间能够显著提高其结晶度。具体而言，球磨15分钟得到的2DAPA-15 min具有较低的结晶度，而球磨240分钟得到的2DAPA-240 min则表现出更高的结晶度和更完整的化学反应。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）、拉曼光谱（RS）和X射线衍射（XRD）等多种技术手段，研究团队对2DAPA的结构变化进行了系统分析。

FT-IR分析显示，2DAPA-15 min的光谱中仍保留有未反应的单体特征峰，表明其反应不完全。相比之下，2DAPA-240 min的光谱中则出现了更多与酰胺键相关的特征峰，说明其分子结构已经充分形成，化学反应接近完全。TGA结果进一步证实了这一点，2DAPA-240 min的初始失重温度比2DAPA-15 min提高了约15度，且最终失重率也有所增加，这表明其热稳定性更强。这些变化归因于球磨时间的延长，使得分子链排列更加有序，从而增强了材料的结晶度和分子间作用力。

此外，拉曼光谱分析揭示了2DAPA在不同反应时间下的分子排列状态。2DAPA-15 min的拉曼峰强度较低，表明其分子排列较为无序，而2DAPA-240 min的拉曼峰更加尖锐且强度更高，说明其分子结构具有更高的有序性。XRD图谱进一步验证了这一结论，2DAPA-240 min的衍射峰更加清晰，表明其结晶度更高。这些结果共同说明，反应时间是调控2DAPA结构演变的关键因素，而高结晶度的2DAPA在摩擦学性能上表现更为优异。

### 摩擦性能与磨损机制

在摩擦性能测试中，研究团队使用了UMT Tribo Lab摩擦仪，对不同条件下2DAPA-15 min和2DAPA-240 min的润滑性能进行了系统评估。实验条件包括不同的载荷（50 N、100 N和150 N）、频率（5 Hz至25 Hz）以及润滑剂浓度（0.25 wt.-%、0.50 wt.-%、1.00 wt.-%和2.00 wt.-%）。测试结果显示，添加1.00 wt.-%的2DAPA-240 min后，摩擦系数显著降低，且摩擦过程更加稳定，表明其在摩擦界面能够形成有效的润滑膜，从而减少摩擦和磨损。

进一步分析发现，2DAPA-240 min的磨损体积比2DAPA-15 min低了约29.10%，这主要得益于其在摩擦过程中能够形成物理保护层。通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS），研究团队观察到2DAPA在摩擦过程中发生片状剥离，并均匀沉积在摩擦界面，形成一层物理屏障，有效减少了金属表面的直接接触。同时，2DAPA中的氨基（-NH?）能够与金属表面发生化学吸附，而氯元素则通过与FeCl?反应形成化学反应膜，进一步增强了润滑膜的稳定性。

此外，研究还发现，在不同载荷条件下，2DAPA-240 min的润滑性能表现各异。在50 N载荷下，由于机械剪切力不足，2DAPA未能完全剥离，导致摩擦膜不完整，磨损体积较大。而在100 N载荷下，机械剪切力适中，2DAPA能够完全剥离并沉积在摩擦界面，形成一层稳定的润滑膜，从而显著降低磨损。在150 N载荷下，虽然初始剪切力较强，导致部分摩擦膜脱落，但随后的快速再沉积过程使得磨损体积较50 N条件有所减少。这表明，2DAPA在摩擦过程中能够实现“剥离-再沉积”的动态循环，从而维持润滑膜的稳定性。

### 频率对润滑性能的影响

在不同频率条件下，2DAPA-240 min的润滑性能也表现出显著的差异。实验结果表明，随着频率的增加，摩擦系数逐渐降低，磨损体积也随之减少。这一现象可能与频率的提高促进了2DAPA的快速剥离和迁移有关。在高频条件下，摩擦界面的剪切力更强，使得2DAPA更容易发生片状剥离，并迅速迁移至摩擦界面，形成更有效的润滑膜。同时，高频率还可能促进摩擦过程中化学反应的进行，例如氯元素与金属表面的反应，从而增强润滑膜的化学稳定性。

然而，频率的增加并不总是带来更优的润滑效果。例如，在5 Hz条件下，摩擦系数和磨损体积均较高，这可能与较低的剪切力导致2DAPA未能充分剥离有关。而在25 Hz条件下，摩擦系数和磨损体积均处于较低水平，表明此时2DAPA能够形成最有效的润滑膜。这一发现表明，频率是影响2DAPA润滑性能的重要因素，过高或过低的频率均可能影响其在摩擦界面的沉积和化学反应过程。

### 2DAPA的润滑机制

研究团队通过系统分析，揭示了2DAPA作为润滑添加剂的润滑机制。这一机制可以分为三个阶段：片状剥离、界面沉积和润滑膜形成。在片状剥离阶段，2DAPA的二维层状结构在摩擦过程中受到剪切力的作用，发生可控的剥离，形成纳米级的片状结构。这种剥离过程受到球磨法合成工艺的影响，高结晶度的2DAPA具有更均匀的层状结构，从而在摩擦过程中表现出更好的剥离效果。

在界面沉积阶段，剥离后的纳米片状结构通过物理吸附和化学吸附机制在摩擦界面沉积。其中，物理吸附主要依赖于2DAPA中的吡啶环结构与金属氧化物表面之间的π-π共轭作用，而化学吸附则涉及2DAPA表面的氨基（-NH?）与金属表面的羟基发生缩合反应，形成化学吸附层。这一阶段的双重吸附机制确保了纳米片状结构能够稳定地锚定在摩擦界面，增强了界面的结合力，并构建了初步的腐蚀防护屏障。

在润滑膜形成阶段，沉积在摩擦界面的纳米片状结构通过层间滑动和自组装过程形成多层复合润滑膜。XPS分析表明，该润滑膜由多种功能层组成，包括无机硬壳（如Fe?O?和Cr?O?）、有机缓冲层（由氨基功能团形成）和氯基保护层（如FeCl?）。这些功能层协同作用，既提供了物理支撑，又增强了润滑膜的化学稳定性，从而实现了长期的润滑效果。此外，润滑膜在摩擦过程中还表现出动态自修复能力，新剥离的纳米片能够不断补充润滑膜的损耗，维持其稳定性。

### 2DAPA在工业应用中的潜力

本研究的成果不仅为2D材料在润滑领域的应用提供了理论支持，还为高精度、高纯度工业场景中的润滑剂设计提供了新的思路。与传统的二维材料添加剂（如Cu-NPs和MoS?）相比，2DAPA具有更好的在极性溶剂中的分散性，同时其独特的分子结构使其在摩擦过程中能够形成更强的化学吸附层和物理保护层。这种双重作用机制使得2DAPA在摩擦学性能上表现出显著优势，尤其是在需要高抗磨损性能和低摩擦系数的工业场景中。

此外，2DAPA的化学稳定性也使其在极端条件下具有较高的应用潜力。其低溶解度和无反应性杂质的特性确保了在润滑过程中不会引入有害杂质，从而满足精密制造行业对润滑剂洁净度的高要求。同时，2DAPA在摩擦过程中不会产生有害副产物，进一步提升了润滑系统的安全性和可靠性。

### 研究的意义与未来方向

本研究通过系统的实验设计和多技术手段的综合分析，揭示了2DAPA在PEG400润滑体系中的优异性能及其润滑机制。这些发现不仅为开发基于二维材料的高性能润滑剂提供了理论依据，还为未来在摩擦学领域的研究指明了方向。未来的研究可以进一步探索2DAPA在不同基油中的应用潜力，以及其在高温、高压等极端条件下的稳定性。此外，还可以通过调整2DAPA的分子结构，优化其在摩擦过程中的剥离效率和化学反应活性，以实现更高效的润滑性能。

总之，2DAPA作为一种新型的二维材料，展现出在润滑领域的广阔前景。其独特的分子结构和合成工艺使其能够在摩擦过程中形成稳定的润滑膜，从而显著降低摩擦系数和磨损体积。这些特性不仅有助于提升润滑剂的性能，还为高精度工业应用提供了新的解决方案。未来，随着对2D材料研究的深入，2DAPA有望在更广泛的工业场景中发挥重要作用，推动摩擦学技术的创新发展。