使用石墨烯纳米条带探索纳米尺度的摩擦

发布时间：2017-10-18 11:27

  本文关键词：使用石墨烯纳米条带探索纳米尺度的摩擦

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【摘要】：石墨烯是目前已经发现的最简单的二维材料。因集优异的导电性、导热性、化学性、力学性能等特质于一身,受到了科学界和工业界广泛的关注。本文主要以石墨烯纳米条带(graphene nanoribbons, GNRS)与石墨烯基底之间的相互作用为研究对象,运用分子动力学模拟方法来探索纳米尺度下摩擦所具有的特性。本文的研究结果可为纳米器件与纳米复合结构的设计与工业生产提供有意义的参考。本文首先研究了低温下不同几何尺寸的GNRs在上下平整的双层基底间拖动的过程,发现GNRs的摩擦力取决于头部宽度。然后模拟了常温下单层GNRs在平整单层基底上的拖动,发现摩擦力能较好地与一些实验相符。其次研究GNRs置于不同波形的单层基底上的拖动过程,发现在拖动过程中产生的摩擦力随粗糙度的变化呈现惊人的两相性,先随粗糙度增加而增加,再随粗糙度增加而减少,该结果是传统的摩擦理论不能解释的。并运用不同的理论模型对模拟结果进行了分析。本文还研究了中层为GNRs,上下层为理想刚性的波形石墨烯基底组成的三层结构。模拟发现在拖动过程中GNRs的摩擦力和碳纳米管的摩擦力之间具有相似性。本文还考虑了由上下两层石墨烯基底和中间多层GNRs组成的复合结构,并在结构中产生波形。模拟发现初始摩擦力虽小,却会逐渐上升到很高的数值。理论分析表明这可能是由于GNRs上产生的预应力在增加。最大摩擦力随粗糙度的变化呈现异常,随粗糙度增加而减小。此外,我们还模拟了GNRs在单层石墨烯基底上的摆动与迁移,得到了周期性摆动、转向等有意思的结果,这些现象与生物细胞在弹性基体上的转向与迁移有某些相似之处。
【关键词】：石墨烯纳米条带 粗糙度 摩擦 黏附 分子动力学
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.71;TB383.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 第1章 绪论10-27
• 1.1 课题背景10-23
• 1.1.1 碳纳米管和单层石墨烯材料的研究12-14
• 1.1.2 多层石墨烯材料的研究14-19
• 1.1.3 波形石墨烯材料的研究19-20
• 1.1.4 薄膜材料的黏附行为20-22
• 1.1.5 分子动力学方法22-23
• 1.2 本文的研究内容、方法和创新点23-27
• 1.2.1 研究内容23-24
• 1.2.2 研究方法24-26
• 1.2.3 主要创新点26-27
• 第2章 单层石墨烯纳米条带的模拟与分析27-43
• 2.1 引言27-28
• 2.2 平整基底上拖动单层石墨烯纳米条带模拟与分析28-34
• 2.2.1 双层平整石墨烯间GNRs拖动模拟与分析28-32
• 2.2.2 单层平整石墨烯上GNRs拖动模拟和分析32-34
• 2.3 波形基底上拖动单层石墨烯纳米条带模拟与分析34-42
• 2.3.1 振幅的影响35-39
• 2.3.2 周期长度的影响39-42
• 2.4 本章小结42-43
• 第3章 多层石墨烯纳米条带的模拟与分析43-53
• 3.1 引言43
• 3.2 双层波形石墨烯间GNRs的拖动模拟与分析43-45
• 3.3 五层波形石墨烯复合结构的拖动模拟与分析45-52
• 3.3.1 模拟与分析45-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 石墨烯纳米条带摆动和取向的模拟53-59
• 4.1 引言53
• 4.2 一端固定的石墨烯纳米条带53-55
• 4.3 自由的两条石墨烯纳米条带55-56
• 4.4 基底载荷对石墨烯纳米条带取向的影响56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第5章 总结与展望59-61
• 5.1 总结59-60
• 5.2 展望60-61
• 参考文献61-68
• 作者简历68

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