石墨烯—衬底体系的力学性能和变温拉曼光谱特性研究

发布时间：2021-04-08 18:41

  石墨烯具有独特的性能和广泛的应用前景,这使得其成为材料和凝聚态领域的研究热点,并引起工业界极大的关注。但是,在石墨烯的制备、转移及应用的过程中存在很多与石墨烯力学特性相关的重要科学与工程问题亟待解决,所以对石墨烯力学特性的深入研究能够有效地促进石墨烯基础研究和产业化的进步与发展。为此,本文主要采用纳米压痕、纳米划痕和拉曼变温实验,以及相应的分子动力学模拟手段,研究了石墨烯及石墨烯/衬底体系的力学性能,其主要研究内容和成果如下：在介绍分子动力学模拟方法的基础之上,系统地研究了温度、缺陷、应变率等因素对石墨烯拉伸力学性能(极限强度、极限应变和弹性模量)的影响。随着温度的升高,石墨烯的力学性能指标都会减小；缺陷的存在使得石墨烯的极限强度和极限应变显著减小；高应变率会使石墨烯的力学性能指标增大；氢化石墨烯的力学性能明显低于石墨烯的力学性能。系统地研究了悬浮石墨烯的纳米压痕力学特性,重点考虑了温度、加载速率、缺陷、石墨烯半径和压头半径等因素对其力学性能的影响规律和机理,并研究了石墨烯AFM实验中出现的Sink-in现象及其之后的纳米压痕力学特征,表明石墨烯和衬底界面间有很强的范德华力作用,其足以避免石墨烯在压痕过程中发生滑移,保证了悬浮石墨烯的固支边界条件；在悬浮石墨烯的基础之上,研究了石墨烯/铜箔衬底体系的纳米压痕特性,表明石墨烯能够极大地扩展铜箔衬底的弹性接触范围,有效地增加其法向承载力,对铜箔的力学特性具有显著的增强作用；通过对石墨烯/铜箔衬底系统的纳米压痕实验研究,发现了压痕曲线的荷载骤降现象以及连续严重波动现象,实验证明了石墨烯的存在对铜箔表面的纳米压痕力学行为有显著的影响。研究了悬浮石墨烯的基本纳米摩擦力学性能特征,并在此基础之上着重研究了单层、双层、三层石墨烯/铜箔衬底体系的纳米摩擦力学特性,表明石墨烯的存在增强了铜箔的表面接触刚度,扩大了低摩擦力的范围,且摩擦力主要与压入深度有很大的依赖关系而与石墨烯的层数关系很小：石墨烯/铜箔体系的纳米摩擦实验结果表明石墨烯能够有效地降低金属铜箔表面的摩擦系数。最后,采用变温拉曼光谱实验研究了石墨烯在铜箔、玻璃和二氧化硅三种衬底上的拉曼光谱特性,分析了石墨烯特征峰G峰和2D峰峰位移动与温度变化的关系,揭示了峰位温度系数不同的内在力学机理。随着温度的升高,G峰和2D峰发生了显著的红移,且在不同衬底上时的峰位温度系数不同,这就为研究在生长过程中石墨烯其与衬底间的相互作用提供了有益的实验成果。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11

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本文编号：1476336