石墨烯納米界面摩擦行為的分子動力學(xué)研究.pdf

1、摩擦問題，尤其是納米技術(shù)蓬勃發(fā)展中產(chǎn)生的高新技術(shù)如微型機器人、微納機電系統(tǒng)等的接觸面尺寸在納米級別，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)展的重大問題。如何實現(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/固體界面的摩擦機理和能量耗散成為人們廣泛關(guān)注的問題。近期實驗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中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)超潤滑現(xiàn)象是解決微納尺度摩擦磨損問題的理想方案。<

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程中的動態(tài)行為成為考量的主要因素。盡管大量的實驗和理論研究揭示了如溫度、速度、正壓力等對微納摩擦的影響，但很多因素由于實驗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，實驗中微納摩擦主要依賴于原子力顯微鏡觀測探針與接觸面的相互運動，速度范圍從μm/s到mm/s。接觸界面吸附的納米顆粒的動態(tài)行為如分子擴散等并未被考慮，而這對控制界面摩擦、分子輸運等有著重要影響。同時，如何預(yù)測結(jié)構(gòu)超潤滑的失效和延長其服役時間是結(jié)構(gòu)超潤滑狀態(tài)應(yīng)用于微納機電系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題。
　　理論計算和數(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，通過分子動力學(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、擴散、界面共度性等）的影響，得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)通過研究石墨烯/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)的電荷分布會顯著提高界面摩擦力，較之范德華作用引起的界面公度對摩擦的影響更為顯著。
　　(2)通過分子動力學(xué)模擬提出不同溫度下石墨烯片在石墨基底的擴散機理，溫度引入的熱能能夠有效增強石墨烯片的擴散行為，

5、而擴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，石墨烯片擴散為公度狀態(tài)下的“粘滑”行為，而高溫下擴散伴隨著石墨烯片的旋轉(zhuǎn)。指出石墨烯片的旋轉(zhuǎn)自由度在擴散過程中的作用分為:在低溫時旋轉(zhuǎn)振蕩作為石墨烯跨越勢壘的驅(qū)動力，能夠有效提高擴散系數(shù);而高溫時限制石墨烯旋轉(zhuǎn)自由度能夠減小旋轉(zhuǎn)干擾，提高石墨烯片輸運效率。此外，考慮到石墨烯在運動中會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，我們提出保持結(jié)構(gòu)超潤滑狀態(tài)的實驗條件是高速、大尺寸、高對稱性的石墨烯片和低溫環(huán)境。