一种多级超滑结构、具有该结构的器件及其形成方法技术

本发明专利技术属于结构超滑领域，公开了一种超滑基本结构，包括基底，位于基底上的多个岛状结构和覆盖所述多个岛状结构的支撑层，其中所述的每个岛状结构的直径为1μm～30μm、高度为10nm～10μm，所述的每个岛状结构均具有至少一个超滑剪切面，所述超滑剪切面的上下接触面处于非公度接触状态。此外还公开了一种多级超滑结构，所述多级超滑结构包括所述多个超滑基本结构，多个超滑基本结构通过并排扩展、独立式叠加、共用式叠加或其组合的方式形成多级超滑结构。本发明专利技术还公开了所述超滑基本结构的形成方法。本发明专利技术突破了仅在微观范畴存在超滑现象的局限，可以达到大尺度、大滑移行程的超滑。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】。本专利技术属于结构超润滑领域，公开了一种超滑基本结构，包括基底，和位于基底上的多个岛状结构，其中每个岛状结构均具有至少一个超滑剪切面，所述超滑剪切面的上下接触面处于非公度接触状态。此外还公开了一种多级超滑结构，所述多级超滑结构包括所述多个超滑基本结构，多个超滑基本结构通过并排扩展、独立式叠加、共用式叠加或其组合的方式形成多级超滑结构。本专利技术还公开了所述超滑基本结构的形成方法。本专利技术突破了仅在微观范畴存在超滑现象的局限，可以达到大尺度、大滑移行程的超滑。【专利说明】
本专利技术涉及结构超滑领域，尤其涉及一种大尺度、大滑移距离的固体超滑的结构， 用于需要超低摩擦或超低磨损的领域。
技术介绍
摩擦磨损一直影响着人们的生产与生活。据统计，世界上有约三分之一的能源消耗在摩擦上，有约80%的机械零部件由于磨损而失效，工业发达国家因摩擦磨损造成的损失高达GDP的5%-7% ;人工关节的一个重要难题就是获得更好的润滑性能以减轻摩擦磨损问题(参见 Unsworth A.Recent developments in the tribology of artificial joints .Tribology International, 1995, 28(7):485-495.)。因此，几千年来人类一直在努力控制和减小摩擦，力图制造出一种极低摩擦且极耐磨损的材料或结构。大多数材料的摩擦系数都在0.1?0.5，加入润滑剂后，可以实现更低的摩擦系数(0.01?0.1)，但还是不能从根本上解决摩擦、磨损问题。因此，制造出一种极低摩擦且极耐磨损的材料或结构具有非常重要的价值。1991年，研究者理论上提出，当两个单晶晶面以非公度的形式接触(即两表面的晶格常数不匹配时)，有可能出现摩擦为零或几乎为零的现象。这种现象被称为“超滑“(Superlubricity)(参见 Hirano M, Shinjo K，Kaneko R, et al.Anisotropy of frictional forces in muscovite mica ? Physical review letters, 1991,67(19):2642.)。由于是固体表面直接接触，超滑的优点除了摩擦系数几乎为零外，还有很大可能极耐磨损，因此其应用范围将会更加广阔。但直到2011年，人们只是在超高真空环境下实现了纳米尺度的超滑，并怀疑是否能够实现大尺度的超滑。 2012年，人们首次观察到了室内环境下微米尺度的超滑(参见Liu Z, Yang J, Grey F，et al.0bservation of Microscale Superlubricity in Graphite.Physical Review Letters,2012, 108(20):205503.)。另一方面，从1994年开始，多个研究组相继实现了摩擦系数低达千分之一量级的超低摩擦，并且是毫米以上尺度(Donnet C，Martin J M, Le Mogne T, et al.Super-low friction of MoS2coatings in various environments.Tribology International ,1996 , 29(2):123-128.)。由于长期未能实现大尺度的超滑，近十多年来文献上常常将摩擦系数为千分之一量级或更低的现象，称作为“超滑”；而将最初的由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象，改称为“结构润滑”(Structural Lubricity)(参见Miiser M H.Structural lubricity: Role of dimension and symmetry.EPL(Europhysics Letters), 2004, 66(1):97.)。本专利技术所指超滑，特指由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象。由于制备大尺度单晶材料困难等原因，目前能够在实验上实现的固体结构润滑仅限于微米或更小的尺度，制备大尺度的结构超滑器件仍未能有人实现。因此，需要一种可以实现大尺度(可达厘米、甚至更大的尺度)的固体超滑器件，而且可以实现较大的滑动位移。
技术实现思路
为了解决上述问题，根据本专利技术的第一实施例，提供了一种超滑基本结构，包括基 底，和位于基底上的多个岛状结构，其中每个岛状结构均具有至少一个超滑剪切面，所述超 滑剪切面的上下接触面处于非公度接触状态。特别地，所述单个岛状结构的直径为111111?3011111、高度为IOnm?10 ii m。相邻 岛状结构之间的平均间隔为I U m?100 ii m。此外，每个岛状结构可以包括在其端部的保护层。多个岛状结构与基底可以为一 体式结构或者分体式结构连接而成。所述岛状结构可以为石墨材料，或者岛状结构材料内部原子有局部存在层间非公 度接触的可能；或者所述岛状结构在剪切面铺有石墨或石墨烯。岛状结构的超滑剪切面的上下接触面的面积可以相同或不同。此外，还可以包括覆盖所述岛状结构的支撑层。所述基底和支撑层可以为平面、曲 面或柔性可变形的片状固体材料。根据本专利技术的第二实施例，提供了一种多级超滑结构，所述多级超滑结构包括所 述多个超滑基本结构，所述多个超滑基本结构通过并排扩展、独立式叠加、共用式叠加或其 组合的方式形成多级超滑结构，其中，所述并排扩展式组成方式为将多个所述超滑基本结构并排分布在一个全局基底 和一个全局支撑层之间，所述全局基底和所述全局支撑层为平面、曲面或柔性可变形的片 状固体材料，所述全局基底连接到所有的所述超滑基本结构的所述基底，所述全局支撑层 连接到所有的所述超滑基本结构的所述支撑层；所述独立式叠加组成方式为将第N个所述超滑基本结构的所述支撑层和第N+1个 所述超滑基本结构的所述基底相连接；所述共用式叠加组成方式为将第N个所述超滑基本结构的所述支撑层同时作为 第N+1个所述超滑基本结构的所述基底。根据本专利技术的第三实施例，提供了一种具有超滑结构的器件，包括前述的超滑基 本结构或者多级超滑结构，还包括位于最底层基底下方的第一部件，和位于最顶层岛状结 构或岛状结构的支撑层上的第二部件。根据本专利技术的第四实施例，提供了一种制造超滑基本结构的方法，包括如下步骤: 步骤1，提供基底；步骤2，制备岛状结构并使所述岛状结构达到与基底连接的状态；步骤3， 检测所述岛状结构是否具有超滑剪切面；步骤4，去除不具有超滑剪切面的岛。其中，所述步骤2包括:步骤2-1，在所述基底上依次覆盖光刻胶；步骤2-2，构图 所述光刻胶，保留多个光刻胶岛；步骤2-3，刻蚀所述基底，以去除未被光刻胶保护的部分 基底，从而形成多个岛状结构。其中所述步骤2-1包括:依次在所述基底上覆盖保护层和光刻胶；所述步骤2-3 包括:刻蚀所述基底，以去除未被光刻胶保护的保护层和部分基底，从而形成多个岛状结 构。所述步骤2-1包括利用等离子体化学气相沉积法在所述基底上沉积Si02保护层，以及利用旋转涂布法进行光刻胶涂布；所述步骤2-2包括利用电子束刻蚀构图所述光刻 胶；所述步骤2-3包括利用反应离子刻蚀法刻蚀所述基底。此外，所述方法还包括在所述岛状结构上设置支撑层的步骤。其中所述岛状结构为石墨材料，或者所述岛状结构材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超滑基本结构，包括基底，和位于基底上的多个岛状结构，其中每个岛状结构均具有至少一个超滑剪切面，所述超滑剪切面的上下接触面处于非公度接触状态。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑泉水，董华来，刘泽，江博，王稳，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：