石墨烯-納米探針黏結(jié)行為數(shù)值模擬及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、石墨烯(Graphene)是迄今為止人類測量過的強(qiáng)度最高的材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、和熱學(xué)性能，成為最有深刻改變?nèi)祟惿鐣?huì)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(zhì)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(duì)充分理解AFM探針與石墨烯之間的黏結(jié)行為特征，進(jìn)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(duì)黏結(jié)力和接觸面積，應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論和有限元方法(FEM)，對(duì)AFM探針和石墨烯之間的黏結(jié)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在硅基體進(jìn)行了探針和石墨烯的黏結(jié)實(shí)驗(yàn)。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　①根據(jù)黏結(jié)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(xué)作用影響因素，結(jié)合力、接觸面積、基體表面作用、厚度相互影響關(guān)系的測試目的，分析并抽取系統(tǒng)關(guān)鍵建模因素，建立了石墨烯-納米探針黏結(jié)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(zhì)力學(xué)理論與方法的適用性和特殊處理措施。結(jié)合碳納米管和石墨烯間的幾何關(guān)系，由碳納米管力學(xué)參數(shù)計(jì)算單層碳原子膜的力學(xué)參數(shù)，建立了適用于石墨烯-納米探針粘結(jié)行為數(shù)值模擬的等效彈性殼模型。
　　③針對(duì)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(jié)構(gòu)，推導(dǎo)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(jié)

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(chǔ)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(duì)層間零摩擦、層間無限大摩擦、層間有限摩擦三種情況，設(shè)定三類摩擦狀態(tài)模型。
　?、轂榻鉀Q復(fù)雜非線性力和接觸狀態(tài)下難以求得靜態(tài)解的難題，應(yīng)用動(dòng)態(tài)求解方法并采取探針間歇式進(jìn)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(zhǔn)靜態(tài)解。
　?、迲?yīng)用隱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(jié)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(jié)力、黏結(jié)面積，研究不同強(qiáng)度基體影響情況下，石墨烯從薄變厚過程中，探針黏結(jié)力、黏結(jié)面積的變化關(guān)系。
　　⑦用機(jī)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(jìn)行黏結(jié)測試，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
　　本論文取得的成果如下：
　　①層間零摩擦、層間無限大摩擦、和層間有限摩擦三類模型結(jié)果，顯示了石墨烯

6、從單層增加至多層過程中，黏結(jié)力隨層數(shù)和基體表面作用強(qiáng)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示出石墨烯與基體間的作用強(qiáng)度對(duì)探針黏結(jié)力和接觸面積關(guān)系的重要影響。研究結(jié)果清晰展示了強(qiáng)、弱基體表面作用狀態(tài)下，不同厚度石墨烯之間，黏結(jié)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(duì)應(yīng)的強(qiáng)、弱基體表面作用強(qiáng)度之間沒有明顯過渡范圍的情況，顯示出隨強(qiáng)度變化出現(xiàn)的黏結(jié)行為特征突變現(xiàn)象。
　?、凼?/p>

7、烯與基體間作用強(qiáng)度對(duì)等值黏結(jié)力作用下石墨烯接觸面積隨厚度變化關(guān)系的影響，使實(shí)際摩擦實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生摩擦力和厚度直接相關(guān)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。
　?、軉螌邮┖投鄬邮?duì)應(yīng)的黏結(jié)力在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中的差異，顯示出探針表面粗糙度對(duì)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(xué)屬性的深入研究提出更多啟示。
　?、萦?jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中薄、厚石墨烯的黏結(jié)性能特征，為表面非理想光

8、滑的探針在與二維材料黏結(jié)過程中可能存在的時(shí)間效應(yīng)現(xiàn)象提供了可能的機(jī)理基礎(chǔ)。
　?、奘┖图{米探針之間黏結(jié)特征與宏觀尺度材料相應(yīng)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(xué)性能研究提供了參考。
　　本研究實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論對(duì)石墨烯進(jìn)行建模及力學(xué)性能的數(shù)值模擬，研究方法在一定條件下可推廣應(yīng)用至其它二維材料，為研究二維材料的力學(xué)性能提供了除分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法之外的參考途