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.      

多层氧化石墨烯的三维弹性常数及氧化度对力学性能的影响

宏观氧化石墨烯膜由多层石墨烯组成,其法向拉伸和层间剪切性能远比面内性能低。本文视多层氧化石墨烯为一种特殊的三维正交各向异性材料——横观各向同性材料,通过建立羟基和环氧基在石墨烯表面随机分布的多层氧化石墨烯三维模型,采用分子动力学方法模拟多层氧化石墨烯的面内拉伸、法向拉伸和层间剪切行为,分别得到了多层氧化石墨烯材料的全部五个独立弹性常数E2、E3、μ12、μ32和G23,进而确定了三维弹性矩阵（柔度矩阵和刚度矩阵）,并进一步分析了氧化度对弹性常数和强度的影响规律。结果表明：随着氧化度R逐步增大,多层氧化石墨烯面内杨氏模量E2和拉伸强度σ2max逐步降低,法向杨氏模量E3和拉伸强度σ3max、层间剪切模量G23和剪切强度τ23max均逐步增大,而对泊松比的影响较小;拉伸和剪切断裂破坏位置由氧化基团(羟基和羧基)与碳原子结合键能大小所决定。     

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.     

两种不同形状压头与单晶铜基体间接触力和摩擦力的纳观分析

在考虑单晶铜基体弹塑性形变和晶体各向异性情况下,基于原子尺度,采用混合势函数(EAM和Morse)和Verlet算法动态模拟了半球形和圆锥形两种不同形状压头与单晶铜基体的黏着接触和滑动摩擦过程,分析了接触力和摩擦力对单晶铜基体内失效原子变化情况.研究表明:当压头下压位移为0.9 nm时,由于半球形压头比圆锥形压头底部表面积大,导致半球形压头与基体之间的引力更大而更易产生黏着接触现象.在下压接触过程中,与半球形压头相接触的基体内出现位错原子长大成位错环,而与圆锥形压头相接触的基体未出现此位错环现象,但位错原子数均随压深的增加而增多;在滑动过程中,因半球形压头对基体的摩擦力和法向力比圆锥形压头对基体的摩擦力和法向力大,使得半球形压头比圆锥形压头正前方堆积的位错原子数多,但均随滑动距离的增加而增多.     

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。     

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。     

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.      

压电智能复合材料层合梁的力电耦合模型及层间应力分析

由于非凡的物理性能，石墨烯纳米片(GPL)被认为是最有吸引力的复合材料增强材料之一.GPL增强材料可以明显提高聚偏氟乙烯(PVDF)压电性能和力学性能.在力电载荷作用下，对含均匀石墨烯薄片增强(GSR)智能压电复合材料层合梁层间应力预测至关重要.若对受到力电耦合作用且层与层之间材料性能突变的压电层合梁层间剪切变形预测有误，则其层间应力过大可能导致层间失效.因此，论文提出一种适于分析此类问题且满足层与层之间相容性条件的有效力电耦合模型，用于含GSR致动器的复合材料层合梁层间应力分析.应用Reissner混合变分原理(RMVT),可以提高考虑力电耦合效应的横向剪应力预测精度.三维(3D)弹性理论和所选模型计算结果将用于评估所提梁模型性能.此外，还从力电载荷、压电层厚度、石墨烯体积分数和长厚比等方面对含GSR致动器复合材料层合梁力学响应特性进行了系统的研究.     

考虑内部损伤影响的层合板最终强度预测

层合板强度分析若只考虑面内失效而忽略自由边界处的分层失效,往往会高估强度值,得不到合理的预测结果.该文提出了一种层合板强度的数值分析方法,综合考虑了层合板的面内失效(基体失效和纤维断裂)以及层间分层失效.采用有限元方法对层合板进行结构分析得到板的应力响应,结合面内失效判据和分层失效判据对层合板各个单层进行失效判断,采用刚度退化和逐步失效方法求得层合板的最终失效强度.与以往方法相比,该文模型和方法考虑的因素更全面.数值算例表明该方法预测得到的最终失效载荷和分层起始载荷和已有文献实验结果一致.     

掺杂Cu(OH)2纳米微粒聚电解质多层膜的摩擦磨损行为研究

采用分子沉积技术在石英和单晶硅基底上交替吸附带相反电荷的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和聚对苯乙烯磺酸钠(PSS)制备出初始聚电解质多层膜,在聚电解质多层膜上吸附Cu2 且与磺酸根键合于碱性溶液中水解,在聚电解质内原位生成Cu(OH)2纳米微粒,通过多次吸附-水解循环原位生成掺杂Cu(OH)2纳米微粒聚电解质多层膜.采用紫外可见吸收光谱、原子力显微镜及透射电子显微镜分析原位生成Cu(OH)2纳米微粒前后多层膜的结构与形貌,采用LKDM-2000型摩擦磨损试验机评价多层膜的摩擦磨损性能.结果表明:与初始多层膜相比,含Cu(OH)2纳米微粒聚电解质多层膜的摩擦系数有所提高,且随法向载荷的增加变化较平稳;聚电解质多层膜表现出较好的耐磨性,这是由于聚电解质多层膜内的纳米微粒提高了承载能力;薄膜的磨损机理主要为粘着磨损,由于纳米微粒的存在,可以减轻其塑性变形和粘着磨损.     

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.     

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表, 二维材料有着诸多优异的性质, 在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景. 目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用, 对于其力学性质的研究则相对欠缺, 而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义. 原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段, 例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术. 本文首先简要介绍了二维材料的基本背景以及原子力显微镜的工作原理. 进一步展示了纳米压痕技术的工作原理和理论背景, 并回顾了利用纳米压痕技术研究二维材料面内力学性质的相关实验和理论工作, 同时探讨了原子力显微镜在表征二维材料力学性能中存在的测量误差及来源. 由于二维材料展现出强烈的各向异性, 纳米压痕技术在能够很好地测量二维材料面内力学性质的同时, 对于二维材料层间力学性质表征等方面存在明显的局限性. 第三部分介绍了一种全新的基于原子力显微镜的埃(?)压痕技术, 该技术能够将形变尺度控制在0.1 nm以内, 从而精确地表征和调控二维材料的层间范德华作用力, 即层间力学性质. 作者在第三部分介绍了通过埃压痕技术表征和调控的石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的层间力学性质. 最后简要介绍了范德华异质结材料的基本性质, 探讨了埃压痕技术在该材料力学性质研究中的潜在应用.      

Interlayer shear of nanomaterials:Graphene–graphene,boron nitride–boron nitride and graphene–boron nitride

In this paper, the interlayer sliding between graphene and boron nitride(h-BN) is studied by molecular dynamics simulations. The interlayer shear force between h-BN/h-BN is found to be six times higher than that of graphene/graphene, while the interlayer shear between graphene/h-BN is approximate to that of graphene/graphene. The graphene/hBN heterostructure shows several anomalous interlayer shear characteristics compared to its bilayer counterparts. For graphene/graphene and h-BN/h-BN, interlayer shears only exit along the sliding direction while interlayer shear for graphene/h-BN is observed along both the translocation and perpendicular directions. Our results provide significant insight into the interlayer shear characteristics of 2D nanomaterials.     

非晶碳薄膜固体超滑设计的滚-滑原则

固体超滑是指相互接触的滑动固体表界面间摩擦系数极低(10?3量级或更低)的现象,因此,开展固体超滑理论和超滑技术研究具有重要意义. 目前碳基薄膜固体超滑设计原则是引入杂原子后的表面钝化作用,尤其氢含量起到决定性作用,通常要求氢原子分数高于40%. 然而依据相图,高氢碳薄膜体系仅占碳薄膜种类的小部分,大量无钝化或者少钝化非晶碳薄膜超滑设计缺乏理论指导. 本文作者在前期研究基础上综述了国内外最新进展,面向贫氢非晶碳薄膜体系,提出从滚-滑角度认识无序界面无钝化或者钝化不足情况下摩擦机理,包括滑动机理、滚动机理、滚动-滑动共存,并在此基础上探讨了碳基薄膜的可能发展趋势,以及固体超滑可能的设计原则和方案.      

微/纳尺度粘着滑动接触的多尺度分析

采用分子动力学与有限元耦合的多尺度方法,求解二维刚性圆柱表面压头与弹性平面的微/纳尺度粘着滑动接触问题,通过与全分子动力学模拟结果的比较验证了多尺度方法的有效性。对压头半径、滑动速度、下压深度以及是否考虑粘着效应等对滑动接触性能的影响进行了全面研究,通过不同条件下摩擦力及接触力分布的比较,揭示了上述各参数对粘着滑动接触...     

超滑和界面摩擦及耗散过程——关于摩擦机理微观研究的思考与展望

评述了近年来关于摩擦现象基础研究的进展与成果,包括超滑的分子动力学模型,界面摩擦试验,表面微观结构的相对称性以及摩擦的能量耗散过程等。肯定了超滑的模拟结果及其理论解释对于摩擦机理和控制研究的启迪和促进作用,分析了模拟结果与现实世界差异的深层次原因,并指出了这一差别将促使人们超越经典力学的框架,为探索和发现尚未认识的摩擦机制创造新的机遇。     

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.