少层石墨烯薄膜的纳米摩擦行为与机理

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近年来,石墨烯因其优异的摩擦学特性而被广泛应用于微纳机电系统等领域。在这些应用中,石墨烯表面的摩擦性能成为制约石墨烯发展的关键因素。因此关于石墨烯层数与石墨烯的摩擦行为的关系、两摩擦对象间的粘着强度以及缺陷密度与石墨烯摩擦行为的关系的研究显得尤为重要。  本文应用分子动力学模拟方法,模拟了半球形金刚石探头在石墨烯薄膜表面的接触过程和滑动摩擦过程,研究了石墨烯层数、探头滑动速度、探头与石墨烯薄膜间的粘着强度以及缺陷密度对石墨烯薄膜摩擦行为的影响,并揭示了其微观的发生机理。主要研究内容如下:  ①模拟制备了半球形金刚石探头以及少层石墨烯薄膜样本,并确定了探头在石墨烯薄膜表面的接触和滑动的模拟方法。  ②模拟了探头在理想石墨烯薄膜表面的滑动过程,研究了石墨烯层数、探头滑动速度和粘着强度对摩擦行为的影响。当粘着强度和层数相同时,随着滑动速度的增大,石墨烯薄膜表面形成的折皱高度逐渐减小,导致其摩擦力逐渐减小。当粘着强度从0.016eV增大到0.08eV时,系统平均摩擦力随粘着强度的变化存在两个阶段。当粘着强度小于0.048eV时,石墨烯薄膜表面的折皱是影响石墨烯薄膜摩擦力的主要因素,随着层数的增加,石墨烯薄膜表面形成的折皱高度逐渐减小,导致其摩擦力逐渐减小,且系统摩擦力随着粘着强度的增大表现为缓慢增大。当粘着强度大于等于0.048eV时,探头与石墨烯薄膜的接触面积逐渐成为影响石墨烯薄膜摩擦力的主要因素,石墨烯薄膜的接触面积随着石墨烯层数的增大而增大,从而导致三层石墨烯的摩擦力比单层石墨烯和双层石墨烯的都要大,并且系统摩擦力随着粘着强度的增大而快速增大。  ③模拟了探头在缺陷石墨烯薄膜表面的滑动过程,研究了缺陷密度对石墨烯摩擦行为的影响。缺陷的存在导致石墨烯的摩擦力发生局部突变,探头滑过的缺陷区域越靠近缺陷的中心,且空位缺陷越密集,摩擦力的局部突变程度就会越大。这是因为,空位缺陷处的石墨烯更容易发生折皱,而两个或多个空位缺陷连在一起时的缺陷处的石墨烯折皱更大。当层数相同时,随着缺陷密度的增大,石墨烯表面的折皱高度逐渐增大,导致其平均摩擦力逐渐增大。当缺陷密度相同时,随着层数的增大,石墨烯表面的折皱高度逐渐减小,导致其平均摩擦力逐渐减小。
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