金属基底石墨烯薄膜的低温摩擦特性研究

发布时间：2020-07-17 23:24

【摘要】：作为一种典型的二维材料,石墨烯表面化学惰性高、面内高强度且层间易剪切,仅若干原子层厚的石墨烯即可达到与石墨等块体润滑材料相媲美的减摩效果。不仅如此,石墨烯润滑层极薄的厚度不会影响机械系统的原有功能,适合在微纳米尺度和极端工况下对机械零部件进行润滑。在极地探索和深空探测等领域,传动部件需要在低温条件下保持良好且稳定的运动状态,而掌握石墨烯薄膜在低温条件下的摩擦特性将为低温精密微位移驱动的实现提供关键的技术条件。因此,研究金属基底石墨烯薄膜的低温摩擦特性对石墨烯在低温下的工程应用以及丰富二维材料的低温摩擦理论具有重要意义。首先,基于分子动力学模拟方法,建立了硅针尖在铜基底石墨烯表面滑动的单峰摩擦模型,并从石墨烯晶格常数、粘附力和摩擦力等方面对模型的有效性进行验证。模拟得到温度对单层和多层石墨烯摩擦力的影响规律以及二者之间的差异,通过分析不同温度下顶层石墨烯的表面波动情况,结合热润滑效应,揭示了温度对石墨烯摩擦行为的影响机制。其次,基于已建立的单峰摩擦模型,根据顶层石墨烯法向变形和表面波动情况,结合接触质量演化机制,分析了层数对光滑和粗糙铜基底上石墨烯低温摩擦行为的影响;通过分析不同载荷下单层和多层模型的铜基底及石墨烯的法向变形,研究了低温条件下石墨烯摩擦力随法向载荷的变化规律;基于PTT模型,通过分析不同速度下摩擦力的粘滑特征,探究了石墨烯表面摩擦力随速度的变化规律;根据不同粗糙度铜基底上顶层石墨烯的表面形貌以及不同粘附强度下粗糙铜基底对石墨烯顺应能力和表面波动的影响,研究了基底粗糙度和粘附强度对石墨烯低温摩擦特性的影响规律。最后,对石墨烯表面粘附力和摩擦力随温度和摩擦参数等因素的变化规律进行了实验研究。测量了不同低温条件下单层和多层石墨烯的粘附力,并与仿真结果进行对比。研究了低温下摩擦力随温度的变化规律,分析了低温下单层和多层石墨烯摩擦力之间的差异以及法向载荷对石墨烯低温摩擦力的影响,验证了仿真结果的正确性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

示意图,低温润滑,应用领域,可展天线

因为低温会改变界面接触特性，造成摩擦的不稳定，导致运动部出现爬行、迟滞等现象，进而降低输出精度。此外，航空器中的空间相机形网状可展天线等空间活动机构通常也在极端低温条件下工作，需要合适滑剂提供低摩擦以及可预测的使用寿命[5]。微位移促动器低温下的结霜结象和环形网状可展天线空间机构示意图分别如图 1-1 a)和图 1-1 b)所示。

石墨,摩擦特性

深入开发[10-12]，如图 1-2 所示。此外，作为一种高度各向异性的二维材料，石墨烯具有原子级平整表面、化学惰性高、面内高强度且层间易剪切，这些突出的性质使石墨烯有望成为新兴的固体润滑剂。相关研究表明，极薄的石墨烯层即可实现从纳米到宏观的超润滑状态[13-15]。然而，当前大多数研究均聚焦于石墨烯常温下的摩擦特性，对石墨烯低温摩擦特性知之甚少，这严重制约了石墨烯在低温环境下的应用。

表面摩擦力,石墨,二氧化硅,表面滑动

氧化硅基底上的石墨烯表面滑动，其中实验温度范围为 288K-388K。作者，直接在二氧化硅基底表面滑动时，摩擦力随温度升高而降低，如图 1-示；而同一针尖在石墨烯表面滑动时，摩擦力却随着温度的升高而增加， 1-3 b)所示。作者认为这是由于温度升高造成了更加剧烈的表面波动，显制了热润滑效应，从而导致摩擦力随温度升高而增加。

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