单晶金刚石（SCD）具有优异的电学、热学性能，并具备高电子迁移率、高热导率、宽禁带和高硬度等特点。论文将其视为新兴的第四代半导体材料，在高性能光学、高功率电子器件、高频传感器和热管理系统等领域具有应用前景。与此同时，金刚石在实际应用前通常需要经过表面加工，以获得所需的几何尺寸、精度和表面完整性，因此加工过程中产生的变形、断裂及相变值得关注。
近期，华侨大学徐西鹏、黄辉团队开展了一项针对单晶金刚石摩擦损伤的研究。相关成果以“Formation mechanism of friction-induced directional tree-like microcracks in single-crystal diamond”为题，发表于《International Journal of Mechanical Sciences》。
放电现象成为机制分析的重要线索
为了理解这种特殊损伤的来源，研究进一步观察了摩擦界面的发光现象，并结合光学发射光谱进行分析。摩擦过程中，界面持续出现发光，并伴随间歇性的强烈闪光；光谱中检测到与空气中气体放电相关的特征峰，说明摩擦界面微间隙中可能发生了气体电离或气体放电。
光学发射光谱主要反映界面气相的光学发射，并不能直接证明金刚石内部发生了介电击穿。因此，气体放电现象只是整个“界面放电—局部电热损伤”证据链中的一部分。
进一步的静电有限元模拟显示，摩擦形成的磨痕和界面微间隙能够产生局部电场增强。在论文给出的代表性模型中，波纹界面的最大归一化电场达到平坦界面的2.24倍，并且随着表面起伏增大，局部最大电场进一步增强。
对金刚石加工意味着什么？
综合实验表征、电场模拟和分子动力学结果，论文提出，摩擦诱导树枝状微裂纹可能源于磨痕导致的局部电场增强、界面放电引起的局部电热损伤，以及金刚石晶体学各向异性三者的耦合作用。
这项研究进一步提示，在高速摩擦加工单晶金刚石时，除了传统的机械和热效应，还需要考虑摩擦起电及相关电学效应。论文同时指出，目前实际摩擦过程中的电场强度和瞬态局部温度尚无法定量表征，滑动速度、载荷、湿度及接地条件等因素也有待进一步研究。
图文导读
图1. 实验装置及示意图。（a）摩擦滑动实验装置的照片，该装置主要由高精度旋转台和力传感器组成。（b）工作区域的放大图，展示了试样的放置、夹紧和加载方式。（c）摩擦滑动装置的工作原理图，标明了接触模式、旋转半径和圆盘尺寸。
图2. 摩擦过程中的温度和摩擦状态监测装置。（a）采用高速红外摄像机进行的温度测量装置。（b）采用高速摄像机观察摩擦状态的装置。这些图像清晰地展示了温度测量系统和高速成像系统为采集数据所采取的布置方式。
图3. SCD (001) 的分子动力学（MD）模型。(a) 初始分子动力学模拟模型，显示了模型的结构层。(b)-(c) SCD (001) 表面的俯视图，其中 (001) 晶面等同于 (100) 晶面。
4001184567