石墨烯-納米探針黏結行為數(shù)值模擬及其實驗研究.pdf

1、石墨烯(Graphene)是迄今為止人類測量過的強度最高的材料，具有優(yōu)異的力學、電學、光學、和熱學性能，成為最有深刻改變人類社會潛力的材料之一，也是固體潤滑劑的重要備選材料。原子力顯微鏡(AFM)是在納米尺度上研究物質性能的重要儀器，也是研究石墨烯性能的常用工具。研究AFM探針與石墨烯之間的接觸、摩擦規(guī)律，對充分理解AFM探針與石墨烯之間的黏結行為特征，進一步利用原子力顯微鏡研究石墨烯和其他二維材料具有重要意義。本文基于AFM探針表面原

2、子、石墨烯原子排列特征，針對黏結力和接觸面積，應用連續(xù)介質力學理論和有限元方法(FEM)，對AFM探針和石墨烯之間的黏結行為進行了數(shù)值模擬，并在硅基體進行了探針和石墨烯的黏結實驗。本文主要研究內容如下：
　?、俑鶕?jù)黏結測試系統(tǒng)中石墨烯、探針、基體尺寸特征和作用體之間的物理、力學作用影響因素，結合力、接觸面積、基體表面作用、厚度相互影響關系的測試目的，分析并抽取系統(tǒng)關鍵建模因素，建立了石墨烯-納米探針黏結行為的有限元分析模型。

3、>　?、诨谑﹩卧雍穸鹊亩S材料特征，分析連續(xù)介質力學理論與方法的適用性和特殊處理措施。結合碳納米管和石墨烯間的幾何關系，由碳納米管力學參數(shù)計算單層碳原子膜的力學參數(shù)，建立了適用于石墨烯-納米探針粘結行為數(shù)值模擬的等效彈性殼模型。
　　③針對特定的原子間作用勢，根據(jù)作用體不同的二維、三維原子排列結構，推導其界面勢能和作用力。根據(jù)石墨烯中碳原子面密度和探針、基體中原子等效體密度，通過石墨和二氧化硅界面之間及其自身界面之間的黏結

4、功，確定了石墨烯、探針、基體模型中各界面勢能函數(shù)和作用力函數(shù)的基礎參數(shù)。
　?、茉跓o法定量確定石墨烯層間摩擦狀態(tài)情況下，針對層間零摩擦、層間無限大摩擦、層間有限摩擦三種情況，設定三類摩擦狀態(tài)模型。
　?、轂榻鉀Q復雜非線性力和接觸狀態(tài)下難以求得靜態(tài)解的難題，應用動態(tài)求解方法并采取探針間歇式進給方式，使探針懸停過程中系統(tǒng)能量逐步耗散，求得難收斂模型的準靜態(tài)解。
　?、迲秒[式和顯式有限元分析方法，分別研究石墨烯厚度從一層增

5、加至四層過程中，探針-石墨烯之間的作用力和黏結面積。通過求解不同基體表面影響因數(shù)、不同石墨烯厚度條件下的探針黏結力、黏結面積，研究不同強度基體影響情況下，石墨烯從薄變厚過程中，探針黏結力、黏結面積的變化關系。
　?、哂脵C械剝離法制備不同厚度的石墨烯，并在硅基體上用原子力顯微鏡進行黏結測試，與數(shù)值模擬結果進行對比分析。
　　本論文取得的成果如下：
　?、賹娱g零摩擦、層間無限大摩擦、和層間有限摩擦三類模型結果，顯示了石墨烯

6、從單層增加至多層過程中，黏結力隨層數(shù)和基體表面作用強度的變化趨勢。變化趨勢與理論分析和測試現(xiàn)象一致。
　?、谀M計算和實驗結果均顯示出石墨烯與基體間的作用強度對探針黏結力和接觸面積關系的重要影響。研究結果清晰展示了強、弱基體表面作用狀態(tài)下，不同厚度石墨烯之間，黏結力與接觸面積之間方向相反的兩種變化趨勢。兩種相反趨勢對應的強、弱基體表面作用強度之間沒有明顯過渡范圍的情況，顯示出隨強度變化出現(xiàn)的黏結行為特征突變現(xiàn)象。
　　③石墨

7、烯與基體間作用強度對等值黏結力作用下石墨烯接觸面積隨厚度變化關系的影響，使實際摩擦實驗中會產(chǎn)生摩擦力和厚度直接相關的顯著表現(xiàn)，解釋了以石墨烯為代表的二維材料普遍存在的摩擦性能厚度依賴現(xiàn)象。
　　④單層石墨烯和多層石墨烯對應的黏結力在計算和實驗中的差異，顯示出探針表面粗糙度對單層和多層石墨烯的不同影響，為探針表面形貌和二維材料自身力學屬性的深入研究提出更多啟示。
　　⑤計算和實驗結果中薄、厚石墨烯的黏結性能特征，為表面非理想光

8、滑的探針在與二維材料黏結過程中可能存在的時間效應現(xiàn)象提供了可能的機理基礎。
　?、奘┖图{米探針之間黏結特征與宏觀尺度材料相應表現(xiàn)的明顯不同，顯示出范德華長程作用力在納米尺度材料行為上的直接作用，為更深入的二維材料力學性能研究提供了參考。
　　本研究實現(xiàn)了應用連續(xù)介質力學理論對石墨烯進行建模及力學性能的數(shù)值模擬，研究方法在一定條件下可推廣應用至其它二維材料，為研究二維材料的力學性能提供了除分子動力學(MD)方法之外的參考途