Stone-Wales拓扑缺陷对石墨烯拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对含Stone-Wales(SW)拓扑缺陷的单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,分别研究了SW拓扑缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯拉伸力学性能及变形机制的影响.研究结果表明,单个SW缺陷对两种手性石墨烯薄膜的杨氏模量几乎无影响,而对薄膜的强度、应变等力学性能和变形破坏机制的影响与手性有...     

石墨烯/TiO2陶瓷薄膜的制备及其摩擦学性能研究

采用溶胶-凝胶技术制备石墨烯/TiO_2陶瓷薄膜,用场发射扫描电镜(FESEM)对其表面形貌进行表征,用X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射(UV-vis)对其组成成分进行分析,利用高速往复式摩擦磨损试验仪考察石墨烯/TiO_2陶瓷薄膜的表面摩擦学性能.试验表明:石墨烯存在于陶瓷膜表面及层间;陶瓷薄膜经过热处理后,石墨烯并未发生氧化.陶瓷薄膜具有良好的减摩特性,其摩擦系数可低于0.1;随石墨烯含量上升,摩擦系数呈降低趋势;同时其耐磨性良好,36 000次往复摩擦后,陶瓷薄膜保持其完整性.     

基于Lenosky原子作用势单层石墨烯片的力学模型

基于对Lenosky 碳-碳共价键作用势连续化得到的单层石墨烯的势能和Hamilton 原理,导出了单层石墨烯的动力学方程. 使用该数学模型及Galerkin 方法,研究了矩形单层石墨烯片的静力挠曲问题. 结果显示,石墨烯片的几何尺寸较小时,弯曲刚度对结构的受力影响较大,可用板理论来描述;随着结构尺寸的增大,弯曲刚度的影响迅速降低;当矩形石墨烯片的短边尺寸大于10 nm 时,可以忽略弯曲刚度对结构的影响,使用薄膜理论来描述单层石墨烯的力学性质.      

A MECHANICS MODEL OF A MONOLAYER GRAPHENE BASED ON THE LENOSKY INTERATOMIC POTENTIAL ENERGY

基于对Lenosky 碳-碳共价键作用势连续化得到的单层石墨烯的势能和Hamilton 原理,导出了单层石墨烯的动力学方程. 使用该数学模型及Galerkin 方法,研究了矩形单层石墨烯片的静力挠曲问题. 结果显示,石墨烯片的几何尺寸较小时,弯曲刚度对结构的受力影响较大,可用板理论来描述;随着结构尺寸的增大,弯曲刚度的影响迅速降低;当矩形石墨烯片的短边尺寸大于10 nm 时,可以忽略弯曲刚度对结构的影响,使用薄膜理论来描述单层石墨烯的力学性质.     

石墨烯力学性能研究进展

石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体, 是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料. 由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景, 石墨烯被认为是具有战略意义的新材料, 近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿. 本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法, 重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展, 主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性, 石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测, 石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用, 最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望.      

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.      

分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应

对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟．模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响．自由表面增加纳米材料的塑性、降低其强度,影响纳米材料的变形机制．受表面效应的作用,纳米镍丝强度与弹性模量均低于纳米镍薄膜．纳米薄膜的断裂接近脆性断裂,断裂强度符合Griffith理想晶体脆断理论;纳米镍丝在断裂过程中表现出微弱塑性．     

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.      

空间薄膜结构褶皱的数值模拟最新研究进展

褶皱问题是高精度空间薄膜结构最关心的问题之一, 它是影响薄膜结构形面精度的关键因素. 由于薄膜结构褶皱机理的复杂性, 该问题一直没能得到很好的解决, 人们对褶皱的认识, 目前主要是通过试验观察和数值模拟等方法. 本文综述了空间薄膜结构褶皱数值研究的发展和现状, 并对其中重要的和被广泛采纳的方法进行了重点介绍和评述. 最后对褶皱数值分析方法所面临的问题及其发展趋势作了初步展望.      

空间薄膜结构的褶皱研究进展

大型柔性薄膜结构是目前国际上十分关注的可满足多项空间任务需要的新型空间结构. 由于薄膜材料柔性且抵抗压缩应力作用的能力十分有限, 因此这些空间结构在轨时多处于带有褶皱的工作状态. 褶皱的存在会改变结构的力学性能且会影响结构表面形状, 因此开展薄膜褶皱研究对柔性结构的设计和力学性能评价等具有重要意义. 本文综述了空间薄膜结构褶皱研究的发展和现状, 重点介绍了薄膜褶皱的理论研究概况, 并讨论了其中存在的问题.根据褶皱研究的最新进展对其未来的发展趋势进行了展望.      

基于不同探针作用下石墨烯边界效应的摩擦调控

石墨烯作为一种固体润滑剂,广泛应用于微纳机械设备中. 尽可能地减少石墨烯的摩擦是提高器件性能、延长器件寿命的关键措施. 采用改变石墨烯表面作用区域的方法对石墨烯与探针尖端的摩擦进行了研究. 利用锥形探针和球形探针测量了石墨烯与SiO₂/Si基底的边界位置及到石墨烯中心区域之间的平均摩擦力. 结果表明:对于单层石墨烯,在锥形探针的作用下,石墨烯中心区域的平均摩擦力明显大于其边界区域处的平均摩擦力;而在球形探针的作用下,石墨烯的平均摩擦力随所选区域的变化不明显. 对于多层石墨烯,在两种探针作用下,石墨烯的平均摩擦力随所选区域的变化都不明显.      

磁过滤真空弧源沉积技术制备C/C多层类金刚石膜及其摩擦磨损性能研究

采用磁过滤直流阴极真空弧源沉积技术在Si基体和GCr15基体表面制备了C/C多层DLC膜,通过X射线光电子能谱仪分析薄膜结构特征;用原子力显微镜观察C/C多层DLC膜的表面形貌;采用台阶仪测试薄膜厚度;利用纳米硬度仪测试薄膜纳米硬度;在销盘式摩擦磨损试验机上进行C/C多层DLC膜在大气下的摩擦性能评价,同时比较了单层DLC膜、TiN膜和C/C多层DLC膜的耐磨性能.结果表明:C/C多层DLC膜表面光滑、致密,厚度达0.7 μm,硬度高达68 GPa,与SiC球对摩时的摩擦系数为0.10左右,耐磨性明显优于单层DLC膜和TiN膜.     

类石墨烯二维原子晶体的微态理论模型

基于微态(Micromorphic) 连续介质理论,提出了针对类石墨烯二维原子晶体的新力学模型. 该模型以有限大小的布拉维单胞为基元体,考虑基元粒子的宏观位移和微观变形,依据微态理论基本方程,推导了全局坐标系下模型的主导方程. 然后针对布拉维单胞中含有两个原子的类石墨烯晶体,通过分析单胞中声子振动模式与基元体自由度的关系,获得了微态形式下声子色散关系的久期方程,并根据二维晶体声子色散特性对久期方程进行了简化,进而确定了类石墨烯晶体模型的本构方程. 最后,以石墨烯和单层六方氮化硼为例,利用简化的表达式拟合了它们面内声子色散关系数据,计算了模型材料的常数,石墨烯模型的等效杨氏模量、泊松比分别为1.05 TPa 和0.197,氮化硼分别为0.766 TPa 和0.225,均与已有的实验值相符合.      

ZrO_2/rGO多层复合薄膜的构筑及其摩擦学性能研究

将层层自组装(LBL)技术与原位还原过程相结合在单晶硅片表面成功构筑了与基底结合牢固、性能优异的氧化锆/还原氧化石墨烯(ZrO2/rGO)多层纳米复合薄膜.试验中,引入了具有强附着性和还原性的物质-多巴胺,使得氧化石墨烯(GO)片的表面锚固和原位还原可以一步完成.另外,ZrO2粒子的表面组装通过简单、温和的溶液沉积过程来实现.结果证明:复合薄膜中rGO和ZrO2的引入以及多层结构的构筑赋予复合薄膜许多优异的性能.在不进行热处理的情况下,所构筑的ZrO2/rGO多层薄膜表现出优异的力学性能(硬度:11.54 GPa)和摩擦学性能(摩擦系数:0.12~0.17),可作为减摩抗磨涂层被用于微/纳机电系统(MEMS/NEMS)的表面保护和其他领域.     

褶皱与晶界偶合作用对石墨烯断裂行为的影响

由CVD方法制备的石墨烯含有大量的晶界,通常还带有许多褶皱,本文通过分子动力学方法研究了具有褶皱和晶界的石墨烯平面拉伸断裂行为,结果显示,在垂直晶界方向,褶皱能够显著提高小角度双晶石墨烯的断裂应力,断裂应力增幅最大约为50%,褶皱对断裂应力的影响随晶界角的增大减弱,导致双晶石墨烯断裂应力对晶界角不敏感,只略低于单晶石墨烯,和实验结果完全吻合;在沿晶界方向,褶皱对双晶石墨烯断裂应力影响不明显.另外,褶皱可以显著提高双晶石墨烯的断裂应变,增幅最大约为100%.增强机制归纳主要如下:通过面外变形,褶皱可以部分释放晶界5-7环中C—C键的预拉伸变形,提高双晶石墨烯的断裂应力;褶皱可以降低相邻5-7环之间相互作用,导致断裂应力对晶界角不敏感;在拉伸作用下,褶皱被部分拉平,这可以显著降低C—C键面内拉伸变形,导致断裂应变显著增大.本研究为准确理解多晶石墨烯断裂行为提供重要帮助.     

褶皱与晶界耦合作用对石墨烯断裂行为的影响

由CVD方法制备的石墨烯含有大量的晶界,通常还带有许多褶皱,本文通过分子动力学方法研究了具有褶皱和晶界的石墨烯平面拉伸断裂行为,结果显示,在垂直晶界方向,褶皱能够显著提高小角度双晶石墨烯的断裂应力,断裂应力增幅最大约为50%,褶皱对断裂应力的影响随晶界角的增大减弱,导致双晶石墨烯断裂应力对晶界角不敏感,只略低于单晶石墨烯,和实验结果完全吻合;在沿晶界方向,褶皱对双晶石墨烯断裂应力影响不明显.另外,褶皱可以显著提高双晶石墨烯的断裂应变,增幅最大约为100%.增强机制归纳主要如下:通过面外变形,褶皱可以部分释放晶界5-7环中C—C键的预拉伸变形,提高双晶石墨烯的断裂应力;褶皱可以降低相邻5-7环之间相互作用,导致断裂应力对晶界角不敏感;在拉伸作用下,褶皱被部分拉平,这可以显著降低C—C键面内拉伸变形,导致断裂应变显著增大.本研究为准确理解多晶石墨烯断裂行为提供重要帮助.     

含缺陷双层石墨烯的纳米压痕模拟研究

石墨烯具有独特的力学、电学性能,被誉为是具有战略意义的新材料,具有广泛的应用前景. 目前生产的石墨烯含有各种缺陷,相较于完美石墨烯,其仍有较大应用价值. 因此有必要研究和掌握缺陷对石墨烯性能的影响,以便在目前的生产技术下,推动其工业化应用. 采用Tersoffff 势来模拟C—C 共价键的相互作用,Lernnard-Jones 势来模拟非成键碳原子之间相互作用力,基于分子动力学模拟了金刚石压头压入含缺陷双层石墨烯的纳米压痕过程,讨论了Lernnard-Jones 势函数的截断半径最佳值以及得到了典型的载荷-位移曲线. 重点探讨了Stone-Thrower-Wales、空位(包括单空位和双空位缺陷) 以及圆孔缺陷当位置不同和数目不同时对石墨烯力学性能的影响. 得出结论:薄膜中心存在缺陷时,破坏强度下降幅度特别明显. 空位缺陷在压头半径范围内存在时,临界载荷与缺陷与薄膜中心的距离成线性关系;缺陷数目越多,其杨氏模量、破坏强度等就越低. 圆孔缺陷数目在压头范围外达到一定浓度后会使石墨烯的力学性质显著降低. 本文结论也说明石墨烯结构稳定,对小缺陷不敏感,缺陷石墨烯仍具有较好的性能和使用价值.      

Ti/Ni过渡层对WS2薄膜摩擦学性能影响

采用射频溅射法,通过预先制备Ti和Ni 2种过渡层的工艺在3Cr13马氏体不锈钢基片上制备了硫化钨薄膜,通过与无过渡层的射频溅射WS2薄膜对比,研究了2种过渡层对薄膜性能的影响.3种样品的物相分析,表面形貌观察,微区化学成分测定,膜基结合力和薄膜摩擦系数测试等结果表明,Ti过渡层对硫化钨薄膜结构和S/W原子比没有明显的影响,对膜层的摩擦系数影响也不大,但薄膜耐磨性有所提高.而Ni过渡层虽对S/W原子比无明显影响,但却明显地提高薄膜Ⅱ型织构(基面取向)的强度,从而降低了薄膜的摩擦系数,提高了薄膜耐磨性.     

褶皱与晶界耦合作用对石墨烯断裂行为的影响

由CVD方法制备的石墨烯含有大量的晶界,通常还带有许多褶皱,本文通过分子动力学方法研究了具有褶皱和晶界的石墨烯 平面拉伸断裂行为,结果显示,在垂直晶界方向,褶皱能够显著提高小角度双晶石墨烯的断裂应力,断裂应力增幅最 大约为50%,褶皱对断裂应力的影响随晶界角的增大减弱,导致双晶石墨烯断裂应力对晶界角不敏感,只略低于单晶石墨 烯,和实验结果完全吻合;在沿晶界方向,褶皱对双晶石墨烯断裂应力影响不明显. 另外,褶皱可以显著提高双晶石墨烯的断 裂应变,增幅最大约为100%. 增强机制归纳主要如下:通过面外变形,褶皱可以部分释放晶界5-7环中C---C键的预拉伸变形, 提高双晶石墨烯的断裂应力;褶皱可以降低相邻5-7环之间相互作用,导致断裂应力对晶界角不敏感;在拉伸作用下,褶皱被部分 拉平,这可以显著降低C---C键面内拉伸变形,导致断裂应变显著增大. 本研究为准确理解多晶石墨烯断裂行为提供重要帮助.      

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.