石墨烯的机械性能实验研究

发布时间：2017-08-27 02:04

  本文关键词：石墨烯的机械性能实验研究

  更多相关文章： 石墨烯 原子力显微镜 纳米压痕 机械性能 载荷 层数 温度

【摘要】：石墨烯因其独特的结构和各方面优异的性能,被认为是新一代电子器件中最具应用潜力的材料。近年来,关于石墨烯机械性能的研究不断深入,人们已从过去通过碳纳米管的机械性能推断平面石墨烯薄膜的机械性能发展到应用各种理论模型及实验方法来测试这种薄膜材料的机械特性。但目前由于方法的差异及微观操作的困难性,其机械性能尚无统一定论,且研究结果也是各有差异。因此,研究石墨烯薄膜材料的机械性能十分必要,不仅是对其机械性能的客观认识,也为其今后在电子信息产品和微／纳机电系统(M/NEMS)等应用中提供理论计算依据,如计算产品工作性能,预估使用寿命等。本文总结了近年来国内外应用于测试石墨烯等薄膜材料机械性质的测试方法,综合考虑了各种方法的优缺点结合本实验室的条件,选取了其中一种最为合适的测试方法对石墨烯的机械性能进行了研究。本文基于原子力显微镜纳米压痕技术研究了机械剥离法制备的石墨烯的机械性能。研究发现随着加载载荷的增加,单层石墨烯的弹性模量(杨氏模量)值呈现三个阶段,不完全弹性变形阶段,弹性变形阶段,塑性变形阶段。第一个阶段是由于石墨烯悬浮在孔上存在的微小褶皱引起的,这一阶段薄膜的变形部分是自然拉伸变形,部分是弹性变形,第二个阶段是完全弹性变形,这个阶段所测得的杨氏模量值呈现稳定趋势,最后变形增加直至破裂。所以第二阶段的测试值可以用来提取石墨烯弹性模量的真实值。在对石墨烯弹性模量的研究中,探究了层数对其的影响,结果表明单层,双层,四层石墨烯的弹性模量值均趋于一致,即它们有着相同的强度,并与体态石墨的弹性模量值相近,这揭示了石墨烯层间作用力非常强,几乎不存在层间滑动现象。此外,还探究了温度对单层石墨烯机械性能的影响,实验发现随着温度的升高,石墨烯的弹性模量下降,综合分析了边界滑动的可能性以及小孔内空气的影响,从分子动力学的角度推测随着温度的升高,石墨烯内部原子受热扰动,材料整体呈现出一种变软的趋势。在对石墨烯摩擦性能的研究中,主要探究了有基底支撑的单双层石墨烯的摩擦性能和悬浮状态下的单双层石墨烯的摩擦性能。研究表明有基底支撑的单层石墨烯摩擦力最小,小于有基底支撑的双层石墨烯和悬浮状态下的单双层石墨烯,而悬浮状态下单双层石墨烯的摩擦力无明显差别。
【关键词】：石墨烯 原子力显微镜 纳米压痕 机械性能 载荷 层数 温度
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 石墨烯简介10-13
• 1.1.1 石墨烯的发现与制备方法10-11
• 1.1.2 石墨烯的结构11-12
• 1.1.3 石墨烯的性质与应用12-13
• 1.2 国内外对石墨烯机械性能的研究现状13-17
• 1.2.1 石墨烯机械性能研究方法的研究现状13-14
• 1.2.2 石墨烯机械性能的研究现状14-16
• 1.2.3 石墨烯摩擦性能的研究现状16-17
• 1.3 本课题研究内容与意义17-18
• 第二章 原子力显微镜的原理18-25
• 2.1 原子力显微镜的简介18-21
• 2.1.1 原子力显微镜的工作原理18-19
• 2.1.2 原子力显微镜的工作模式19-21
• 2.2 探针简介及其参数校正21-23
• 2.2.1 AFM核心部件—探针21
• 2.2.2 探针的灵敏度校正21-23
• 2.3 本实验设备23-25
• 第三章 常温下弹性模量影响因素及实验与结果讨论25-44
• 3.1 经典薄板理论25-27
• 3.2 实验方法27-30
• 3.2.1 样本的制备27-28
• 3.2.2 样本的表征28-30
• 3.3 实验过程及数据处理方法30-32
• 3.3.1 实验过程30-31
• 3.3.2 数据处理方法31-32
• 3.4 测试条件对石墨烯弹性模量的影响32-42
• 3.4.1 压痕位置点对弹性模量的影响32-34
• 3.4.2 加载速度对弹性模量的影响34-36
• 3.4.3 最大加载载荷对弹性模量的影响36-42
• 3.5 小结42-44
• 第四章 温度对石墨烯弹性模量的影响44-57
• 4.1 实验方法44-47
• 4.1.1 样本处理44-45
• 4.1.2 温度控制方法45
• 4.1.3 实验过程及注意事项45-47
• 4.2 温度对薄层材料弹性模量的影响47-52
• 4.3 层数对石墨烯弹性模量的影响52-55
• 4.4 本章小结55-57
• 第五章 石墨烯的摩擦性能研究57-64
• 5.1 样本的制备与表征57
• 5.2 实验方法57-59
• 5.2.1 粘附力测量58
• 5.2.2 摩擦力测量58-59
• 5.3 单双层石墨烯的摩擦性能59-63
• 5.4 本章小结63-64
• 第六章 总结与展望64-66
• 6.1 总结64-65
• 6.2 展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文71-72
• 附录72-73

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1 ;科学家首次用纳米管制造出石墨烯带[J];电子元件与材料;2009年06期

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3 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期

4 ;日本开发出在蓝宝石底板上制备石墨烯的技术[J];硅酸盐通报;2009年04期

5 马圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究进展[J];现代物理知识;2009年04期

6 傅强;包信和;;石墨烯的化学研究进展[J];科学通报;2009年18期

7 ;纳米中心石墨烯相变研究取得新进展[J];电子元件与材料;2009年10期

8 徐秀娟;秦金贵;李振;;石墨烯研究进展[J];化学进展;2009年12期

9 张伟娜;何伟;张新荔;;石墨烯的制备方法及其应用特性[J];化工新型材料;2010年S1期

10 万勇;马廷灿;冯瑞华;黄健;潘懿;;石墨烯国际发展态势分析[J];科学观察;2010年03期

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1 成会明;;石墨烯的制备与应用探索[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

2 钱文;郝瑞;侯仰龙;;液相剥离制备高质量石墨烯及其功能化[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年

3 张甲;胡平安;王振龙;李乐;;石墨烯制备技术与应用研究的最新进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第3分册）[C];2010年

4 赵东林;白利忠;谢卫刚;沈曾民;;石墨烯的制备及其微波吸收性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第7分册）[C];2010年

5 沈志刚;李金芝;易敏;;射流空化方法制备石墨烯研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年

6 王冕;钱林茂;;石墨烯的微观摩擦行为研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年

7 赵福刚;李维实;;树枝状结构功能化石墨烯[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年

8 吴孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和无机石墨烯材料:计算与实验的结合[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年

10 周琳;周璐珊;李波;吴迪;彭海琳;刘忠范;;石墨烯光化学修饰及尺寸效应研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

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1 姚耀;石墨烯研究取得系列进展[N];中国化工报;2009年

2 刘霞;韩用石墨烯制造出柔性透明触摸屏[N];科技日报;2010年

3 记者 王艳红;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新华每日电讯;2010年

4 本报记者 李好宇 张們捷(实习) 特约记者 李季;石墨烯未来应用的十大猜想[N];电脑报;2010年

5 证券时报记者 向南;石墨烯贵过黄金15倍 生产不易炒作先行[N];证券时报;2010年

6 本报特约撰稿 吴康迪;石墨烯 何以结缘诺贝尔奖[N];计算机世界;2010年

7 记者 谢荣　通讯员 夏永祥 陈海泉 张光杰;石墨烯在泰实现产业化[N];泰州日报;2010年

8 本报记者 纪爱玲;石墨烯：市场未启 炒作先行[N];中国高新技术产业导报;2011年

9 周科竞;再说石墨烯的是与非[N];北京商报;2011年

10 王小龙;新型石墨烯材料薄如纸硬如钢[N];科技日报;2011年

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1 吕敏;双层石墨烯的电和磁响应[D];中国科学技术大学;2011年

2 罗大超;化学修饰石墨烯的分离与评价[D];北京化工大学;2011年

3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修饰[D];北京化工大学;2012年

4 王崇;石墨烯中缺陷修复机理的理论研究[D];吉林大学;2013年

5 盛凯旋;石墨烯组装体的制备及其电化学应用研究[D];清华大学;2013年

6 姜丽丽;石墨烯及其复合薄膜在电极材料中的研究[D];西南交通大学;2015年

7 姚成立;多级结构石墨烯/无机非金属复合材料的仿生合成及机理研究[D];安徽大学;2015年

8 伊丁;石墨烯吸附与自旋极化的第一性原理研究[D];山东大学;2015年

9 梁巍;基于石墨烯的氧还原电催化剂的理论计算研究[D];武汉大学;2014年

10 王义;石墨烯的模板导向制备及在电化学储能和肿瘤靶向诊疗方面的应用[D];复旦大学;2014年

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1 詹晓伟;碳化硅外延石墨烯以及分子动力学模拟研究[D];西安电子科技大学;2011年

2 王晨;石墨烯的微观结构及其对电化学性能的影响[D];北京化工大学;2011年

3 苗伟;石墨烯制备及其缺陷研究[D];西北大学;2011年

4 蔡宇凯;一种新型结构的石墨烯纳米器件的研究[D];南京邮电大学;2012年

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8 雷军;碳化硅上石墨烯的制备与表征[D];西安电子科技大学;2012年

9 于金海;石墨烯的非共价功能化修饰及载药系统研究[D];青岛科技大学;2012年

10 李晶;高分散性石墨烯的制备[D];上海交通大学;2013年

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