缺陷和基底对石墨烯摩擦性能影响的分子动力学研究

发布时间：2017-09-20 07:28

  本文关键词：缺陷和基底对石墨烯摩擦性能影响的分子动力学研究

  更多相关文章： 分子动力学 石墨烯 摩擦力 缺陷 基底 能量势垒 褶皱 表面粗糙度 粘附性能

【摘要】：众多研究表明石墨烯具有超低摩擦力,然而由于制备工艺的限制,石墨烯中很可能会出现缺陷,影响石墨烯纳米器件的性能。其次,石墨烯纳米器件的性能也受到基底的影响。因此,研究缺陷和基底对石墨烯摩擦性能的影响,有助于深化对石墨烯摩擦性能的理解。为石墨烯器件性能的优化提供理论依据。本文采用分子动力学方法模拟硅探针在空位缺陷和SW型缺陷石墨烯上的滑移过程。结果表明,两种缺陷石墨烯摩擦力大于完美石墨烯,空位缺陷使石墨烯界面势垒增大导致能量耗散增加,摩擦力增大；SW缺陷使石墨烯表面形成凸起,阻碍探针滑移,摩擦力增大。空位缺陷石墨烯平均摩擦力随缺陷浓度的增加而增加,因为高浓度的空位缺陷石墨烯缺陷处能量势垒较大,能量耗散较大,摩擦力较大。SW2型缺陷石墨烯摩擦力大于SW1型,因为存在相邻五边形碳原子环结构的石墨烯表面更容易产生褶皱,SW2型缺陷石墨烯存在相邻五边形碳原子环结构,SW2型缺陷石墨烯不存在相邻五边形碳原子环结构,SW2型缺陷石墨烯表面较高的褶皱阻碍探针滑动,摩擦力增大。本文还采用分子动力学方法模拟硅探针在不同表面粗糙度和粘附性能支撑基底上石墨烯滑动的过程。结果表明,完美石墨烯摩擦力随支撑基底表面粗糙度的增加而增加,表面粗糙度较低的基底上石墨烯摩擦力随层数的增加而略微增加,表面粗糙度较高的基底上石墨烯摩擦力随层数的增加而明显下降,这是由探针作用下石墨烯的法向变形和石墨烯表面粗糙度共同作用导致的。在任意表面粗糙度支撑基底上,单原子空位缺陷石墨烯摩擦力与完美石墨烯摩擦力基本一致,SW缺陷石墨烯摩擦力大于完美石墨烯摩擦力,这是由于SW缺陷处产生凸起,导致摩擦力增大。光滑基底上石墨烯摩擦力随支撑基底粘附性能的增加而减小,粗糙基底上石墨烯摩擦力随支撑基底粘附性能的增加而增加。SW型缺陷石墨烯摩擦力随支撑基底粘附性能增强而减小的幅度大于完美石墨烯和单原子空位缺陷石墨烯；支撑基底与石墨烯之间LJ作用势的势阱常数为3.73memeV时,支撑基底粘附性能定义为“正常值”,支撑基底粘附性能低于“正常值”时,完美石墨烯平均摩擦力大于单原子空位缺陷石墨烯,基底粘附性能高于“正常值”时,完美石墨烯平均摩擦力小于单原子空位缺陷石墨烯。
【关键词】：分子动力学 石墨烯 摩擦力 缺陷 基底 能量势垒 褶皱 表面粗糙度 粘附性能
【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10-17
• 1.1 研究背景10-12
• 1.1.1 石墨烯的发现和结构10-11
• 1.1.2 石墨烯的性能和应用11-12
• 1.2 国内外对石墨烯摩擦性能的研究现状12-16
• 1.2.1 缺陷石墨烯摩擦性能的研究现状13-14
• 1.2.2 基底对石墨烯摩擦性能影响的研究现状14-16
• 1.3 本课题主要研究内容16-17
• 第二章 分子动力学模拟17-26
• 2.1 分子动力学原理与发展历程17-18
• 2.2 分子动力学模型18-23
• 2.2.1 粒子空间位置、速度初始化18-20
• 2.2.2 作用势的选取20-21
• 2.2.3 运动方程积分算法和积分步程的选取21-22
• 2.2.4 调温方法的选取22-23
• 2.3 分子动力学模型优化23-25
• 2.3.1 无量纲化23-24
• 2.3.2 边界条件24-25
• 2.3.3 截断距离与最小像力约定25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 缺陷石墨烯摩擦性能的分子动力学研究26-40
• 3.1 空位缺陷石墨烯摩擦性能26-34
• 3.1.1 单原子空位缺陷石墨烯摩擦性能27-30
• 3.1.2 空位缺陷浓度对石墨烯摩擦性能的影响30-32
• 3.1.3 空位缺陷方向对石墨烯摩擦性能的影响32-34
• 3.2 SW型缺陷石墨烯摩擦性能34-39
• 3.2.1 单个SW型缺陷石墨烯摩擦性能34-36
• 3.2.2 SW缺陷类型对石墨烯摩擦性能的影响36-38
• 3.2.3 SW缺陷方向对石墨烯摩擦性能的影响38-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第四章 基底对石墨烯摩擦性能影响的分子动力学研究40-57
• 4.1 基底对完美石墨烯摩擦性能的影响40-48
• 4.1.1 基底表面粗糙度对完美石墨烯摩擦性能的影响40-45
• 4.1.2 基底粘附性能对完美石墨烯摩擦性能的影响45-47
• 4.1.3 基底表面粗糙度和粘附性能集成作用对完美石墨烯摩擦性能的影响47-48
• 4.2 基底对缺陷石墨烯摩擦性能的影响48-55
• 4.2.1 基底表面粗糙度对缺陷石墨烯摩擦性能的影响49-52
• 4.2.2 基底粘附性能对缺陷石墨烯摩擦性能的影响52-55
• 4.3 本章小结55-57
• 第五章 总结和展望57-59
• 5.1 总结57-58
• 5.2 展望58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文65

【参考文献】

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1 文玉华,朱如曾,周富信,王崇愚;分子动力学模拟的主要技术[J];力学进展;2003年01期

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本文编号：886699