原子尺度下石墨烯摩擦性能的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，多種優(yōu)異性質(zhì)使其具有廣闊的研究前景，也蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用價(jià)值。石墨烯被認(rèn)為是未來微納米器件的重要材料，也是固體潤(rùn)滑的革命性物質(zhì)，但是人們對(duì)其摩擦學(xué)的認(rèn)識(shí)卻非常有限。研究它的摩擦機(jī)理與表面行為，不僅能夠提高人們對(duì)于摩擦和粘著原理的理解，而且對(duì)微納米機(jī)電系統(tǒng)(M/NEMS)的發(fā)展也起到重要的推動(dòng)作用。
　　本文運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法建立了納米尺度下的微凸體接觸模型，并在不同載荷下分別對(duì)硅探針在金剛石基底、支撐石墨烯和懸

2、浮石墨烯上滑動(dòng)的摩擦過程進(jìn)行模擬。對(duì)比金剛石基底與支撐石墨烯的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金剛石基底平鋪一層石墨烯后，摩擦力將大為降低。結(jié)合Tomlinson模型得知，金剛石基底平鋪石墨烯后將使得表面能壘驟降，由此造成了探針的持續(xù)超滑現(xiàn)象。多層支撐石墨烯的模擬結(jié)果表明，褶皺是產(chǎn)生Lee實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的主要原因，即支撐石墨烯摩擦力隨著層數(shù)增加而降低。模擬中使用小尺寸、較軟的硅探針無法推動(dòng)石墨烯產(chǎn)生褶皺，石墨烯僅僅發(fā)生微小的凸體變形，此微小變形對(duì)摩擦力的影響

3、甚小，故不同于Lee的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，硅探針在不同層數(shù)支撐石墨烯上滑動(dòng)受到的摩擦力基本相等。
　　在對(duì)懸浮石墨烯摩擦性質(zhì)的研究中，證明了石墨烯摩擦力可以由傳統(tǒng)滑動(dòng)摩擦力和彈性變形引起的粘彈性力組成。模擬結(jié)果表明粘彈性力在某些較大載荷下是懸浮石墨烯摩擦力的主要部分，由此產(chǎn)生了單層懸浮石墨烯中奇異的探針尺寸效應(yīng)，探針尺寸越大摩擦力反而越小。另外，在多層懸浮石墨烯中因?yàn)閷訑?shù)越少，石墨烯的變形量和粘彈性力越大，從而在一定載荷下使得石墨烯摩擦力隨