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。     

多层石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能研究

采用液相超声直接剥离法制备了不同厚度的纳米石墨烯片,用SEM、TEM对其形貌进行了表征,利用多功能往复摩擦磨损试验仪考察了石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能.通过SEM、EDS、XPS等手段,分析了磨损表面的形貌、元素组成和典型元素的化学状态,初步探讨了石墨烯水分散体系的润滑机理.结果表明:所制备的石墨烯为厚度不一的多层石墨烯混合物,厚度范围为10~180 nm;石墨烯作为水基添加剂具有良好的减摩抗磨性能,使纯水的磨损机理发生转变,由严重的黏着磨损和腐蚀磨损转变为磨粒磨损,主要原因是在石墨烯水分散体系润滑下,磨损表面形成吸附减摩层和摩擦化学反应膜,两者协同作用,抑制Fe的氧化,减轻摩擦磨损.     

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。     

工程导向固体超滑(超低摩擦)研究进展

实现“零”摩擦磨损是润滑的终极目标,是保障机械系统高精度、高可靠、长寿命稳定运行和促进节能减排的关键之一.超滑,工程上称之为“超低摩擦”,从理论模拟计算开始,人们对超滑的认识和理解日益加深,但工程导向的固体超滑实现是极具挑战的技术问题.目前能够实现工程尺度固体超滑的材料候选者主要有有序二维材料和碳薄膜.本文作者从原理、试验到工程应用分别综述了这些材料的研究发展现状,并总结了工程导向超滑存在的问题,并对其未来的发展方向做出展望.     

基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp$^{2}$杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低. 研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.      

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.     

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.      

基于应变梯度有限元的单层石墨烯振动研究

建立了单层石墨烯等效非局部薄板的一种新的有限元模型,并运用有限元法分析不同边界条件下单层石墨烯振动的小尺度效应。给出了基于弹性应变梯度理论下Kirchhoff板的振动方程。发展了一种4节点24自由度的板单元,用于离散化求解考虑微纳结构尺度效应的高阶微分方程。在研究四边简支板振动时,考虑应变梯度的非局部弹性有限元数值计算结果与理论分析结果相一致。用有限元方法研究了不同尺寸、振动波长、振动模态阶数、边界条件类型以及非局部参数的单层石墨烯振动。     

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.      

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.论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.     

基于分子动力学的结合材料界面破坏准则

结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,但界面破坏的机理及其评价准则尚未十分清楚.采用分子动力学模拟方法,可以对结合材料的界面破坏过程进行模拟,从而获得结合材料的界面应力和界面破坏之间的关系.界面破坏可以分为奇异应力场作用下的破坏,和界面应力集中引起的破坏两种.虽然在分子动力学模拟中采用了高度简化的界面模型,但对界面破坏过程的模拟,仍可以帮助人们获得结合材料界面破坏过程的规律性认识.分别模拟远场作用下界面上存在初始裂纹和界面附近存在初始裂纹两种情况下的界面破坏,根据分子动力学模拟结果,提出了一个结合材料界面破坏的准则.     

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.     

碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了公度、不公度2种情况下碳纳米管在石墨基底上运动的摩擦机制与能量耗散,计算中先使碳纳米管在石墨基底上弛豫平衡,而后施加持续500 fs的固定外力,撤去外力后碳纳米管在基底上减速至相对基底静止.结果表明:在公度条件下,碳纳米管先在石墨基底上滑动,动能降低到一定值后出现翻转、滚动、滑动交替进行的现象.所受侧向力(即摩擦力)在滑动阶段呈现周期性变化,在开始滚动时摩擦力达到负向最大;在不公度条件下,碳纳米管在石墨基底上一直处于滑动状态,侧向力始终为负值;在公度情况下,侧向力对称性的破缺由碳纳米管底部原子与石墨基底原子间的法向趋近与分离引起,并由此而产生摩擦;碳纳米管与石墨基底原子间的相互作用为斥力-碰撞型,黏性摩擦造成了能量耗散.     

水化硅酸钙纳米压痕分子动力学模拟方法优化

针对水化硅酸钙纳米压痕模型忽视了压头与基底之间相互作用的问题,由尺寸差异引起的金刚石压头难以计算的问题,以及Wittmann模型无法得到实际接触面积的问题,提出了新的模型与计算方法．结合分子动力学方法,采用金刚石压头-Wittmann模型基底的组合方式构建无定形态水化硅酸钙纳米压痕试验模型．在建模阶段,考虑到压头模型与基底模型粒子间尺寸差异,提出了等比例替换模型,通过公式推导并就不同尺寸模拟结果验证了等比例替换模型的可行性．在计算阶段,提出了局部前处理的弛豫方法进行模拟．确定最大荷载位置处的接触面积为546 nm2,进而求出水化硅酸钙模型硬度H为0.84 GPa、折合模量Er为30.52 GPa．并通过纳米压痕试验,验证了模拟结果的准确性,证明了模型的科学性,对今后水化硅酸钙(C-S-H)纳米层面的模拟具有重要借鉴意义．     

自组装膜纳米压痕的分子动力学模拟

研究了金探针对沉积在金 (111)表面的 CH3 (CH2 ) 1 5S自组装膜的纳米压痕的分子动力学模拟 .结果表明 ,自组装膜在金探针的作用下出现了跳跃接触现象 ,倾角和法向载荷都出现明显的滞后 ,并进一步表明与探针和膜之间的粘着力有关     

单晶硅高速磨削亚表层损伤机制的分子动力学仿真研究

运用分子动力学仿真模拟高速磨削下单颗金刚石磨粒切削单晶硅的过程,通过分析切屑、相变、位错运动并结合工件表面积的演变规律研究磨削速度对亚表层损伤和磨削表面完整性的影响.仿真结果显示:磨削速度的增大会加剧磨粒前端材料的堆积,超过200 m/s后增加不再明显.而加工区域的平均温度通过原子之间的挤压和摩擦会不断增大.在磨削温度、磨削力以及粘附效应的相互作用下,摩擦系数先增大后减小.晶格的变形、晶格重构和非晶相变导致切屑形成过程中的磨削力剧烈波动.研究结果表明:在加工脆性材料单晶硅过程中,随着磨削速度的升高亚表层损伤厚度先减小后增大.当磨削速度低于150 m/s时,随着磨削速度的升高,磨粒下方的原子晶格重新排列的时间缩短,非晶结构的产生减少,亚表层损伤厚度减小.当磨削速度超过150 m/s时,加工区域中的高温成为主导因素促进位错的成核、运动致使亚表层损伤厚度增大.     

不同温度下Cu/FeS复合材料摩擦过程中组织演变的分子动力学模拟研究

通过计算机模拟的方法对不同温度下Cu//Cu/FeS摩擦副的摩擦性能进行计算研究,结果发现:当环境的温度在500 K时,摩擦副的摩擦系数出现第一个谷值,而此时金属铜发生再结晶,黏着磨损更为明显;700 K时,黏着层数减小而摩擦系数却有所增大,主要是由于复合材料内部的FeS结构发生转变造成.计算结果还证明:在高温情况下,增强相FeS存在先分解再重新结合的2个过程,并指出Cu/FeS复合材料在900 K时,仍然具有很好的减摩耐磨作用.还对不同温度摩擦时复合材料内部的组织演变过程进行系统分析,分析结果表明,随着温度的升高,FeS的结构发生演变,从六方NiAs型超结构相转变为简单NiAs型结构相,并且随着温度的升高,FeS结构的 c/a 也在不断减小,这些都影响着复合材料的摩擦性能.     

改性石墨烯增强聚四氟乙烯摩擦学性能的分子模拟研究

采用分子动力学模拟研究了接枝改性氧化石墨烯对聚四氟乙烯(PTFE)的增强作用与摩擦学性能的影响,首先选用KH550、KH560和KH570三种硅烷偶联剂接枝氧化石墨烯(GO),在填入纯聚四氟乙烯后计算其机械性能与摩擦性能. 对比得出KH560的增强效果最好,杨氏模量和剪切模量分别提高了205%和116%,摩擦系数提高了39.6%. 然后选用聚酰亚胺(PI)接枝氧化石墨烯,对比了接枝改性与物理共混两种方式对增强效果的影响,结果表明接枝改性的增强效果优于物理共混. 最后通过分析界面间相互作用力、结合能、原子相对浓度和原子运动速度等方式揭示了接枝氧化石墨烯对聚四氟乙烯基体的增强机理.