纳尺度接触边缘上的熵力研究

发布时间：2017-12-13 20:23

  本文关键词：纳尺度接触边缘上的熵力研究

  更多相关文章： 石墨烯 多晶石墨烯 碳纳米管 热机 熵力 黏附 放热 摩擦 耗散 晶格动力学 分子动力学 解析模型

【摘要】：在接触问题中,黏附的重要性随尺度的减小而增加。在纳米尺度,黏附成为了纳米材料之间最主要的作用之一。本文研究了二维材料、特别是石墨烯的黏附过程,发现二维材料的黏附过程是一个可逆的放热过程。研究进一步揭示黏附引起的熵变是黏附过程中热功转化的原因,而且熵变导致一个存在于边缘处的宏观统计力-熵力。论文围绕二维材料的黏附过程中的熵变和熵力,利用分子动力学和解析模型对熵变的起因、依赖因素及其在摩擦中的作用开展了系统研究。主要的内容如下:⑴用分子动力学模拟揭示,把石墨烯黏附于基底或者从基底剥离过程中存在热能和机械能之间的转化。具体来说,石墨烯从基底上剥离过程中,热能转化为机械能,系统温度降低;石墨烯黏附于基底过程中,该作用完全相反,机械能转化为热能,系统温度升高。导致热功转化的直接原因是二维材料悬空时的熵大于其吸附于基底时的熵,两种状态之间存在熵的自由能差。同时该热功转化过程中伴随一个线性依赖于温度的唯像的力,即熵力。⑵多壁碳纳米管的层间的伸出和缩回运动中同样存在熵变导致的热能和机械能之间的转化。在普通的多壁碳纳米管中,熵力在数值上要远小于层间的范德华力。但在紧致的多壁碳纳米管中(层间距为0.31纳米),熵力成为了影响系统稳定形态的决定性因素。当系统温度低于临界温度时,紧致多壁碳纳米管的层状形态是稳定的。但当温度高于临界温度时,紧致多壁碳纳米管各层会自发地互相脱离。⑶用解析模型研究了谷形势阱对置于其中的一维单原子链的约束产生的熵力,获得了熵力的解析表达式。该模型直观地揭示了熵力的直接起源,以及熵力和温度,及谷形势阱的谷底曲率的关系。进一步研究了石墨烯在三维的谷形势阱中的熵力,获得了石墨烯在三维势阱中熵力的解析表达式,直接从模型的角度说明了熵力和温度线性关系。⑷揭示在石墨烯或多壁碳纳米管的层间摩擦中,熵变引起的热功转化的过程中的耗散的一种主要的耗散机制。虽然熵变导致的热功转化在理论上是可逆的,但研究双壁碳纳米管振荡器的振荡过程说明,在周期性的热能和机械能转化过程中,在有限的速度下,这种热转化并不完全可逆。在热能和机械能周期转化的过程中产生的不可逆熵是导致了振动的衰减主要原因。分子动力学计算显示不可逆商产生的速率和相对滑动速度之间的关系是线性的。⑸利用分子动力学模拟了石墨烯层间滑动中的摩擦。初步探讨了纳米尺度摩擦力的定义以及在分子模拟中的统计方法。计算了摩擦力和速度、温度及层间公度角之间的关系。进一步证明了熵力导致的边缘摩擦(熵变导致的耗散主要出现在边缘)是石墨烯层间摩擦的主要来源。⑹研究了多晶石墨烯这种带缺陷结构的二维材料的摩擦特性。多晶石墨烯层间摩擦对垂直方向压力的依赖较为复杂,我们揭示存在两种互相竞争的耗散机制:一种是通常和接触面积以及作用强度相关的耗散;另一种即为熵变引起的热功转化导致的耗散。多晶石墨烯的不完全接触导致隔空区域的存在,隔空区域的边缘长度随着压力的增加而减小,这导致在压力较小区域摩擦随着压力的增加减小的奇特摩擦现象。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O343.3

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