石墨烯納米界面摩擦行為的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、摩擦問(wèn)題，尤其是納米技術(shù)蓬勃發(fā)展中產(chǎn)生的高新技術(shù)如微型機(jī)器人、微納機(jī)電系統(tǒng)等的接觸面尺寸在納米級(jí)別，其比表面積大，表面摩擦、磨損等的界面效應(yīng)成為制約其發(fā)展的重大問(wèn)題。如何實(shí)現(xiàn)納米尺度界面的低摩擦狀態(tài)，降低界面間的摩擦磨損和能量耗散，理解納米尺度固體/固體界面的摩擦機(jī)理和能量耗散成為人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題。近期實(shí)驗(yàn)研究中微納尺度單晶界面間（如石墨、碳納米管體系）以非公度形式接觸滑動(dòng)中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑現(xiàn)象是解決微納尺度摩擦磨損問(wèn)題的理想方案。<

2、br>　　在納米尺度，界面間產(chǎn)生的吸附、黏著等成為摩擦的主要來(lái)源，因此降低納米尺度界面摩擦的主要原理在于調(diào)控界面的相互作用。石墨/石墨體系界面是典型的物理相互作用，其原子結(jié)構(gòu)性質(zhì)、堆垛方式以及摩擦過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為成為考量的主要因素。盡管大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究揭示了如溫度、速度、正壓力等對(duì)微納摩擦的影響，但很多因素由于實(shí)驗(yàn)條件的限制仍為研究者忽略。如石墨體系中由于分子吸附等造成的界面間的非均勻電荷分布，是與界面的共度性一樣，影響石墨體系摩擦

3、的重要因素。此外，實(shí)驗(yàn)中微納摩擦主要依賴于原子力顯微鏡觀測(cè)探針與接觸面的相互運(yùn)動(dòng)，速度范圍從μm/s到mm/s。接觸界面吸附的納米顆粒的動(dòng)態(tài)行為如分子擴(kuò)散等并未被考慮，而這對(duì)控制界面摩擦、分子輸運(yùn)等有著重要影響。同時(shí)，如何預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑的失效和延長(zhǎng)其服役時(shí)間是結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑狀態(tài)應(yīng)用于微納機(jī)電系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　理論計(jì)算和數(shù)值模擬是在原子尺度上解決上述挑戰(zhàn)的有效工具。在本論文中，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和密度泛函理論研究了單晶石墨烯

4、體系中上述因素（電荷、擴(kuò)散、界面共度性等）的影響，得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)通過(guò)研究石墨烯/石墨烯和六方氮化硼模型中界面電荷分布和界面共度性對(duì)摩擦行為的影響，指出調(diào)節(jié)電荷分布能夠有效改善界面的能量耗散狀態(tài)。石墨界面處出現(xiàn)的電荷分布會(huì)顯著提高界面摩擦力，較之范德華作用引起的界面公度對(duì)摩擦的影響更為顯著。
　　(2)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬提出不同溫度下石墨烯片在石墨基底的擴(kuò)散機(jī)理，溫度引入的熱能能夠有效增強(qiáng)石墨烯片的擴(kuò)散行為，

5、而擴(kuò)散行為則與石墨烯公度非公度轉(zhuǎn)變的能壘有關(guān)。在低溫條件下，石墨烯片擴(kuò)散為公度狀態(tài)下的“粘滑”行為，而高溫下擴(kuò)散伴隨著石墨烯片的旋轉(zhuǎn)。指出石墨烯片的旋轉(zhuǎn)自由度在擴(kuò)散過(guò)程中的作用分為:在低溫時(shí)旋轉(zhuǎn)振蕩作為石墨烯跨越勢(shì)壘的驅(qū)動(dòng)力，能夠有效提高擴(kuò)散系數(shù);而高溫時(shí)限制石墨烯旋轉(zhuǎn)自由度能夠減小旋轉(zhuǎn)干擾，提高石墨烯片輸運(yùn)效率。此外，考慮到石墨烯在運(yùn)動(dòng)中會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，我們提出保持結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)條件是高速、大尺寸、高對(duì)稱性的石墨烯片和低溫環(huán)境。