非均质二维晶体的摩擦特性与调控

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现今纳米材料在生活中有着广泛的应用,例如纳米涂层、润滑剂、微机电系统、纳米机器人等,纳米材料的摩擦特性是人们的研究重点之一。微纳米尺度的二维晶体有着与传统材料不同的摩擦特性,如经典的粘滑(stick-slip)模型、与接触面积的相关性、速度依赖性、温度依赖性等。现有的研究主要关注均质二维材料的摩擦特性,然而,近些年人们发现,二维晶体中有众多的非均质二维晶体,这些非均质晶体具有独特的物理、力学性能,在新型超导、光伏等器件中有重要的应用。由于非公度扭转、范德华异质结、面内缺陷等异常的结构,非均质晶体在摩擦过程中会出现异常的滑动能垒、周期性、硬度取向性等特征,这些特征是决定二维晶体的摩擦行为的重要因素,因此对非均质二维晶体的摩擦特性的研究也亟需开展。以LAMMPS软件为工具,利用分子动力学模拟,本文探究了层数、尺寸对完美石墨烯摩擦特征的影响;探究了原子力显微镜针尖按不同方向扫描石墨烯的摩擦响应。针对一种特殊的非均质二维晶体结构进行摩擦分析,本文对含纳米孔的2-6层石墨烯的摩擦进行系统性的探究。主要得到以下结果:(1)完美石墨烯在面积达到一定尺寸后,改变面积对摩擦响应影响微弱,摩擦力基本不变。针尖沿不同方向扫描石墨烯时,针尖与石墨烯构成不同的接触取向,得到的摩擦力曲线的stick-slip周期与石墨烯晶胞的周期相关;在周期性的晶胞与硅针尖相互作用下,扫描角度每增减60°,会出现重复的摩擦响应。(2)对于嵌入纳米孔的非均质石墨烯材料,嵌入的纳米孔增强了摩擦信号,同时摩擦力保持了stick-slip特性。纳米孔的大小对最大摩擦力的改变起着关键作用,并且摩擦力值随孔的大小而变化。由于纳米孔周围石墨烯的面内变形,产生的褶皱在滑动过程中对针尖产生阻力,从而增大了摩擦力。当硅针尖向纳米孔中心扫描时,可以观察到负摩擦力,这种现象是由于硅针尖压入时石墨烯面内应变的不对称变形造成的。进一步研究纳米孔的层间摩擦特性,将纳米孔嵌入最底层石墨烯时,随着石墨烯层数的增加,纳米孔对摩擦信号的影响减弱,类似于理想石墨烯摩擦中层数对摩擦力的影响;将纳米孔嵌入中间层的石墨烯时,该石墨烯层越靠近表面,纳米孔对摩擦力影响越明显。
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