石墨烯界面摩擦特性及拉伸行為的理論與實驗研究.pdf

1、石墨烯作為一種準(zhǔn)二維材料具有非常優(yōu)異的力、電、光、熱等特性，由于其廣闊的應(yīng)用前景自其發(fā)現(xiàn)以來一直是材料領(lǐng)域研究的熱點。石墨烯所具有的超潤滑特性將在微納機電系統(tǒng)的運動部件中有重要應(yīng)用，掌握石墨烯摩擦特性對微納機電系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。同時CVD法是批量制備高質(zhì)量石墨烯最有前途的方法，然而該方法制備的石墨烯通常包含晶界結(jié)構(gòu)。探究晶界對摩擦和力學(xué)特性的影響是石墨烯器件的設(shè)計制造的基礎(chǔ)性課題之一。
　　基于布朗動力學(xué)研究了金剛石針尖在懸

2、置單層石墨烯表面刻劃的摩擦行為。以接觸原子數(shù)、接觸區(qū)高度、接觸區(qū)的非對稱性等為主要考察指標(biāo)分析了應(yīng)變率及法向載荷對摩擦的影響，并給出了應(yīng)變條件下摩擦系數(shù)的理論估計值。研究表明應(yīng)變條件下摩擦力是粘附和彈性變形共同作用的結(jié)果，不同的應(yīng)變和載荷作用下粘附和變形對摩擦的貢獻比例不一樣。接觸區(qū)的非對稱變形是摩擦力形成的主要因素，而應(yīng)變可以抑制接觸區(qū)的非對稱性進而顯著的降低摩擦系數(shù)。同時應(yīng)變條件可以提高摩擦過程的平穩(wěn)性。以此為基礎(chǔ)揭示了晶界對摩擦過

3、程的影響機制主要是晶界結(jié)構(gòu)中的局部剛度變化會顯著的改變針尖和石墨烯的接觸狀態(tài)，而通過應(yīng)變同樣可以減小晶界對摩擦的影響。通過實驗研究驗證了石墨烯的低摩擦性和摩擦力的周期性波動。
　　以分子動力學(xué)為主要手段，從能量的觀點研究了石墨烯晶界的力學(xué)特性。提出缺陷能這一表征晶界能量特性的新指標(biāo)。研究了晶界形成能、缺陷能和原子最高勢能和晶向偏轉(zhuǎn)角、缺陷密度的關(guān)系。結(jié)果表明各種類型的晶界缺陷能、晶向偏轉(zhuǎn)角和缺陷密度之間有線性依賴關(guān)系，并給出了缺陷