缺陷对石墨烯摩擦性能影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟硅探针在空位缺陷和Stone-Wales(SW)缺陷石墨烯上的滑移过程,研究空位缺陷和SW缺陷对石墨烯摩擦力的影响.研究结果表明:两种缺陷石墨烯摩擦力大于完美石墨烯,空位缺陷使石墨烯界面势垒增大导致能量耗散增加,摩擦力增大;SW缺陷使石墨烯表面形成凸起,阻碍探针滑移,摩擦力增大.空位缺陷石墨烯平均摩擦力随缺陷浓度的增加而增加,Y向空位缺陷石墨烯平均摩擦力大于X向,这都是由空位陷处能量势垒和缺陷与探针切向作用距离共同决定的.SW2型缺陷石墨烯摩擦力大于SW1型,X向SW2型缺陷石墨烯摩擦力大于Y向SW2型,因为存在相邻五边形碳原子环结构的石墨烯表面更容易产生凸起,摩擦力较大.以上研究结果完善了缺陷石墨烯的摩擦机制,对设计和开发石墨烯微纳器件提够了理论依据和指导.     

基于分子动力学方法的多层石墨烯超滑失效机理分析

本文作者采用混合势函数(Lennard-Jones势和REBO势),基于Verlet算法动态模拟了金刚石探针(100)与多层石墨烯间的压入和滑动摩擦过程,分析了不同压深下多层石墨烯的摩擦力及平均摩擦系数变化的特点,统计了不同压深下的层间键合作用、层内断键数量以及实际原子接触面积,阐述了多层石墨烯超滑失效的机理.结果表明:压深对多层石墨烯间的超滑失效有着重要影响,探针压深增加导致的摩擦力振幅上升与悬空石墨烯压缩应变增加产生的影响非常相似;6.1(A)是石墨烯超滑失效的临界压入深度值,压深小于6.1(A)时,石墨烯有着明显的超滑特性,且摩擦力变化周期不受压深的影响,并等于石墨烯晶格常数;压深大于6.1(A)后,摩擦力变化完全失去周期性,探针在滑动中需要克服的势垒急剧上升,摩擦力显著增大,超滑明显失效.当压深为6.1(A)时,石墨烯层间开始出现键合作用,层内也出现断键现象,且随压深的增加越加剧烈,层内的断键和层间键的形成是引起石墨烯超滑失效和摩擦力突变的主要原因,而实际原子接触面积与此突变的相关性很小.     

石墨烯在金刚石基体表面的纳米摩擦学行为研究

采用热化学气相沉积法(Thermal Chemical Vapor Deposition，TCVD)和机械剥离法分别制备了单层和少层石墨烯并转移至MPCVD制备的多晶金刚石基体表面，利用原子力显微镜研究了大气环境下石墨烯在金刚石基体上的纳米摩擦和磨损性能. 研究结果表明:单层和少层石墨烯在金刚石基体上具有良好的减摩作用，摩擦系数分别为0.03和0.014. 然而，由于石墨烯和金刚石表面之间的物理吸附作用较弱，其摩擦力会略高于SiO₂/Si基体表面石墨烯的摩擦力. 随扫描速度升高，金刚石表面的单层与少层石墨烯的摩擦力的变化可以分为自然对数正比上升，基本保持不变以及黏性阻尼增加三个阶段. 在磨损试验中，TCVD法制备和转移石墨烯的过程中产生的缺陷和污染物降低了单层石墨烯的耐磨性能，而机械剥离的少层石墨烯因为无缺陷的石墨烯晶体结构在金刚石基体上展现了优异的耐磨特性. 本研究可为以金刚石为基体的石墨烯固体润滑剂使用提供理论基础.      

基于分子动力学的石墨烯涂层铜基体摩擦性能研究

石墨烯作为一种新型润滑添加物,在降低金属的摩擦损耗方面有广泛的应用前景。本文利用分子动力学方法建立单晶铜(Cu)和石墨烯/铜(Gr/Cu)模型,用以研究石墨烯(Gr)涂层对于Cu摩擦性能的影响,揭示其润滑机理。结果表明:由于Gr的加入,Cu的摩擦系数在不同压深下降低了64.4%～72.9%。研究发现,摩擦力的大小与压头压入基体的深度密切相关,而与是否具有Gr涂层关系较小。Gr涂层对于Cu摩擦性能提升的根本原因在于增强了基体表面对于法向力的耐受性而非直接降低摩擦力,这使Gr/Cu形成了较小的摩擦系数,表现出优异的摩擦性能。此外,Gr涂层可以有效改善Cu摩擦后的表面形态,与Cu表面受摩擦后大量的原子堆积和明显的刻划痕迹相比,Gr/Cu基体表面更加平滑。但是在相同的压深下,由于Gr/Cu压头下方聚集的应变能无法像Cu晶体一样通过位错向表面运动而释放,导致其内部出现了较大的原子缺陷区域。     

纳米GeSb2Te4薄膜在大气环境中的摩擦性能研究

采用摩擦力显微镜考察了磁控溅射纳米GeSb2Te4薄膜在大气环境中的微观摩擦性能,利用JKRS理论分析了针尖同GeSb2Te4薄膜接触时的粘附力和表面能之间的关系.结果表明:当湿度较大时,粘附力较大;而当湿度较小时,粘附力较小;当针尖表面能一定时,粘附力的微小变化可以导致GeSb2Te4薄膜的表面能产生较明显变化;随着扫描范围逐渐减小,摩擦力变化趋于稳定;不同扫描速度下法向力和摩擦力保持较好线性关系,但不同扫描速度下的平均摩擦力随扫描速率变化而呈现非线性变化;为了更好地分析探针和样品表面的微观摩擦机制,宜选择扫描范围为0.1～0.5μm或更小.     

摩擦诱导生物燃料碳烟微粒组分与结构变化机制研究

摩擦会诱导碳烟微粒参与润滑膜形成,但对润滑界面碳烟微粒组分和结构变化研究较少.为了进一步丰富碳烟摩擦学理论,在端面摩擦试验机上,分别以3%(质量分数)生物燃料碳烟(BS)污染的液体石蜡和CD SAE 15W-40全配方油为润滑油,探索了摩擦力诱导及Ti F3和Fe F3的催化作用下,BS微粒组分和结构的变化情况.利用XPS对摩痕区域表面膜碳元素Csp2和Csp3含量进行了定性定量表征;利用拉曼光谱仪分析了表面膜碳烟微粒结构变化,并对BS微粒组分和结构变化机制进行了讨论.结果表明:在294 N、1 500 r/min,催化剂Ti F3和Fe F3存在下,无定型碳含量降低(R3降低),表面有序化石墨烯含量明显增多(ID2/IG’增加),表面石墨烯缺陷位点明显增多(ID1/IG’).碳烟微粒在摩擦剪切及摩擦热的作用下,其外层结构容易发生剥离并在摩擦副表面形成润滑膜,然后因Ti F3和Fe F3的催化作用,润滑膜中碳元素会向有序化石墨烯转化.     

非公度双壁碳纳米管的层间摩擦

由于层间距和手性的耦合影响,非公度双壁碳纳米管的层间摩擦行为比较复杂,其规律至今仍不清楚。本文采用分子动力学模拟方法,研究了非公度双壁碳纳米管的层间摩擦特性。总体来说,层间距较小或层间手性角差较小时,层间摩擦力较大。当层间手性角差在10°以上时,层间接触接近非公度接触,层间摩擦力几乎不受层间手性影响;此时在层间平衡位置附近（0.34±0.02 nm）,层间摩擦力与层间距之间近似呈线性关系。无论层间手性如何匹配,边界原子所受摩擦力总是大于内部原子所受摩擦力,显示边界效应是纳尺度摩擦中的一个普遍现象。     

导电滑环Au涂层摩擦磨损行为的分子动力学模拟

金(Au)及其合金由于优异的导电和抗氧化特性被广泛用做星载导电滑环涂覆层,本文中采用分子动力学模拟方法研究了导电滑环Au-Au涂层在不同温度和不同摩擦速度下的摩擦磨损行为,并通过设定模型局部快速升温模拟载流摩擦中电弧侵蚀的效果.结果表明:滑环环体与环刷的磨损主要为黏着磨损,温度升高会加快下压过程的界面力学响应;相对运动速度越低,磨损越严重,同时跑合后的摩擦力越大;影响摩擦磨损特性的主要原因是接触中心在温升区域中心附近时的焊接现象.研究结果为揭示Au-Au涂层的摩擦磨损性能随温度和速度变化的微观机理提供了参考依据,为我国卫星长寿命,高可靠性设计提供理论基础.     

仿生叠层构型石墨烯对铝基复合材料的纳米摩擦性能的影响

利用纳米压痕和纳米划痕试验表征了仿生叠层构型铝基石墨烯复合材料(Bio-inspired laminated graphene reinforced aluminum martrix composite, BAMC)与纯铝的力学性能和摩擦磨损性能. 鉴于摩擦力由黏着作用和犁沟作用两分量共同组成,对比探究了BAMC与纯铝在微观摩擦磨损过程中的弹塑性转变过程,分析了黏着作用与犁沟作用在摩擦力中的贡献度,揭示了其微观摩擦磨损机制. 结果表明:相较于纯铝,BAMC的纳米硬度提高了约24%,总摩擦系数(Friction coefficient)降低了约28%,黏着作用分量和犁沟作用分量分别降低了32%和16%. 换言之,复合材料中的异质界面产生异质变形诱导强化,进而增强了应变硬化,使仿生叠层石墨烯铝基复合材料的硬度得到明显提升,并且仿生叠层构型的石墨烯主要通过降低黏着作用来实现减磨. 从微纳米尺度揭示了BAMC的力学性能和摩擦磨损性能显著提升的机理,可为提升其摩擦磨损性能提供理论依据. 目前的工作通过纳米划痕和纳米压痕强调了叠层结构石墨烯的添加对块体复合材料的摩擦性能的影响,并表明仿生叠层构型铝基石墨烯是搭建仿生叠层结构的小尺寸理想增强体.      

原子尺度摩擦行为的分子动力学模拟

应用大规模分子动力学方法,模拟了具有原子级光滑和原子级粗糙形貌的刚性球形探头与弹性平面基体的干摩擦行为,研究了无/有粘附条件下的载荷与摩擦力、载荷与真实接触面积,以及摩擦力与真实接触面积之间的关系,对纳米尺度下的摩擦行为规律进行了分析。几种系统的真实接触面积－载荷关系都与相应的连续力学接触模型定性的一致,它们分别是Hertz光滑表面接触模型、Greenwood-Williamson粗糙表面接触模型和Maugis-Dugdale粘着接触模型。无论是由光滑表面还是粗糙表面构成的摩擦系统,在无粘附条件下摩擦力与载荷成正比,而摩擦力与真实接触面积之间没有一个简单的关系;在粘附条件下摩擦力与真实接触面积成正比,而摩擦力与载荷之间表现为Maugis-Dugdale模型预测的亚线性关系。我们的研究表明,当表面作用从无粘附到粘附时,控制摩擦力的决定因素从载荷转变为接触面积,摩擦行为从载荷控制摩擦转变为粘着控制摩擦。     

EFFECT OF INTERGRANULAR FRICTION ON THE BOTTOM FORCE CHAIN OF TWO-DIMENSIONAL PARTICLE PILES WITH POINT DEFECTS1)

力链对颗粒物质的宏观与微观力学性质起着决定性的作用。在离散元法的基础上,建立二维规则排列的颗粒物质系统,分别研究无缺陷颗粒系统在集中载荷变化与有缺陷颗粒系统在缺陷区域改变时,粒间摩擦系数对颗粒系统底部接触力分布规律的影响。结果表明：在无缺陷颗粒系统中,颗粒系统底部接触力的分布形式受摩擦系数和集中载荷的大小影响。随摩擦系数的增大,底部接触力由双峰形式经平台过渡,逐渐向单峰形式转变。在有缺陷颗粒系统中,摩擦系数和缺陷尺寸对底部接触力分布均有影响。同种载荷作用下,随缺陷尺寸的增大,底部接触力峰值显著增大;底部平均力被明显削弱,力向边界的传递增强。系统中轴线上缺陷的存在使底部中间区域受力削弱,当缺陷尺寸超过2 层以上时,底部中间力随摩擦系数的变化特征由递增曲线演变为线形衰减曲线。     

The capillary force in micro- and nano-indentation with different indenter shapes

The influence of the indenter shapes and various parameters on the magnitude of the capillary force is studied on the basis of models describing the wet adhesion of indenters and substrates joined by liquid bridges. In the former, we consider several shapes, such as conical, spherical and truncated conical one with a spherical end. In the latter, the effects of the contact angle, the radius of the wetting circle, the volume of the liquid bridge, the environmental humidity, the gap between the indenter and the substrate, the conical angle, the radius of the spherical indenter, the opening angle of the spherical end in the truncated conical indenter are included. The meniscus of the bridge is described using a circular approximation, which is reasonable under some conditions. Different dependences of the capillary force on the indenter shapes and the geometric parameters are observed. The results can be applicable to the micro- and nano-indentation experiments. It shows that the measured hardness is underestimated due to the effect of the capillary force.     

非公度接触石墨烯层间摩擦对压入深度的依赖性

近年来, 以石墨烯为代表的层状二维纳米材料的摩擦力学行为受到广泛关注, 许多新的纳尺度摩擦现象、规律及机理被陆续报道, 推动纳米摩擦学取得了重要进展. 然而, 由于纳米级摩擦十分复杂, 在建立摩擦力与影响因素之间的直接关联方面依然进展非常缓慢. 本文利用分子动力学模拟方法, 研究了衬底支撑石墨烯基底与石墨烯滑片之间的摩擦行为, 着力考察了非公度接触情况下的摩擦规律. 结果表明, 石墨烯滑片和基底之间的摩擦力与压入深度直接相关, 说明压入深度可作为纳尺度摩擦力的重要度量指标. 特别地, 法向载荷和衬底刚度对石墨烯摩擦的影响，都可通过压入深度归一化处理. 该结果对理解二维材料表面弹性影响的摩擦规律具有重要的理论意义.     

非公度接触石墨烯层间摩擦对压入深度的依赖性

近年来, 以石墨烯为代表的层状二维纳米材料的摩擦力学行为受到广泛关注, 许多新的纳尺度摩擦现象、规律及机理被陆续报道, 推动纳米摩擦学取得了重要进展. 然而, 由于纳米级摩擦十分复杂, 在建立摩擦力与影响因素之间的直接关联方面依然进展非常缓慢. 本文利用分子动力学模拟方法, 研究了衬底支撑石墨烯基底与石墨烯滑片之间的摩擦行为, 着力考察了非公度接触情况下的摩擦规律. 结果表明, 石墨烯滑片和基底之间的摩擦力与压入深度直接相关, 说明压入深度可作为纳尺度摩擦力的重要度量指标. 特别地, 法向载荷和衬底刚度对石墨烯摩擦的影响,都可通过压入深度归一化处理. 该结果对理解二维材料表面弹性影响的摩擦规律具有重要的理论意义.     

Exact solutions to a problem in terms of stresses for incompressible elastic conical bodies

Exact solutions to the elasticity theory problem in terms of stresses for an incompressible conical body of arbitrary shape under the action of a given concentrated force applied at its vertex are given and analyzed. A solution in terms of stresses with a singularity whose order is higher by one than that in the classical solution is discussed. The surface load at the boundary of the conical body corresponding to such a solution is obtained.     

微重力环境下硅基纳米器件碰撞滑动接触问题研究

随着纳米技术的发展,微机电系统被广泛应用于微纳卫星、皮卫星以及各种高精密仪器. 单晶硅广泛应用于微机电系统,考虑微重力环境空间机构无规则碰撞的运动特性,建立刚性金刚石压头与弹性硅基体之间碰撞滑动接触的分子动力学模型,对比研究压头不同振动频率和振幅对平均摩擦力的影响. 结果表明:压头振动频率低于基体固有频率时,平均摩擦力无明显变化,而高于固有频率时,平均摩擦力随振动频率增大呈现先减小后不变的趋势;振幅的增大导致压头和基体的碰撞更加剧烈,剧烈的碰撞导致基体表面更多原子晶格结构破坏,失效原子数增多,降低了平均摩擦力;在基体表面引入纹理,发现纹理表面能够有效降低平均摩擦力.      

An analysis on the flow resistance in the entrance region of diffuse laminar flow between two parallel spherical surfaces

In this paper, V.V. Golubef method is first extended to the diffuse laminar flow between two parallel spherical surfaces. With the boundary layer motion equation in spherical coordinates, we derive the momentum integral equation together with the energy integral equation for the laminar boundary layer of the entrance region between two parallel spherical surfaces. And then by applying Picards gradually approaching method for the momentum integral equation, we get the approximate expression which the entrance region length varies with the thickness of boundary layer. In the end every coefficient of entrace region effect is analyzed and calculated. Projects Suported by the Science Fund of the Chinese Academy of Sciences.     

球形金属表面球磨制备石墨烯薄膜摩擦特性研究

采用球磨的方法实现了在钢球表面制备大面积连续的石墨烯薄膜,考察其随球磨时间变化,石墨烯薄膜在钢球表面的包裹程度、形貌变化、结构演变过程、结合性能及摩擦学性能. 研究表明:随着球磨时间的增加,石墨烯在钢球表面团聚减少,包裹更加均一,结构趋于有序;当球磨时间达到50 h时,在钢球表面形成分布均匀且大面积连续的石墨烯薄膜,使与含氢类金刚石碳薄膜组成配伍的平均摩擦系数从裸钢球的0.043降至0.022,磨痕深度和宽度都显著降低. 经胶带粘取100次或乙醇中超声清洗30 min后球磨制备石墨烯薄膜仍然粘附于钢球表面,在氩气环境下石墨烯薄膜表现出优于钢球的摩擦磨损性能.      

减阻工况下壁面周期扰动对湍流边界层多尺度的影响

通过在平板壁面施加不同频率振幅的压电陶瓷振子周期性扰动,进行了湍流边界层主动控制减阻的实验研究.在压电陶瓷振子最大减阻工况下(80 V和160Hz),使用单丝边界层探针对压电振子自由端下游2mm处进行测量,得到不同法向位置流向速度信号的时间序列.通过对比施加控制前后的多尺度分析,发现压电振子产生的扰动只对近壁区产生影响,使得近壁区大尺度脉动降低,小尺度脉动强度增大,而对边界层的外区则基本没有影响.进一步对大尺度和小尺度的脉动信号进行条件平均,发现压电振子产生的扰动对小尺度脉动的影响在时间相位上并不均匀,小尺度脉动强度在大尺度脉动为正时比在大尺度脉动为负时具有更明显的增加.这表明壁面周期扰动主要通过使大尺度高速扫掠流体破碎为小尺度结构,来影响相应的高壁面摩擦事件,从而达到减阻效果.