【摘要】：作為一種典型的二維材料,石墨烯表面化學(xué)惰性高、面內(nèi)高強度且層間易剪切,僅若干原子層厚的石墨烯即可達(dá)到與石墨等塊體潤滑材料相媲美的減摩效果。不僅如此,石墨烯潤滑層極薄的厚度不會影響機械系統(tǒng)的原有功能,適合在微納米尺度和極端工況下對機械零部件進(jìn)行潤滑。在極地探索和深空探測等領(lǐng)域,傳動部件需要在低溫條件下保持良好且穩(wěn)定的運動狀態(tài),而掌握石墨烯薄膜在低溫條件下的摩擦特性將為低溫精密微位移驅(qū)動的實現(xiàn)提供關(guān)鍵的技術(shù)條件。因此,研究金屬基底石墨烯薄膜的低溫摩擦特性對石墨烯在低溫下的工程應(yīng)用以及豐富二維材料的低溫摩擦理論具有重要意義。首先,基于分子動力學(xué)模擬方法,建立了硅針尖在銅基底石墨烯表面滑動的單峰摩擦模型,并從石墨烯晶格常數(shù)、粘附力和摩擦力等方面對模型的有效性進(jìn)行驗證。模擬得到溫度對單層和多層石墨烯摩擦力的影響規(guī)律以及二者之間的差異,通過分析不同溫度下頂層石墨烯的表面波動情況,結(jié)合熱潤滑效應(yīng),揭示了溫度對石墨烯摩擦行為的影響機制。其次,基于已建立的單峰摩擦模型,根據(jù)頂層石墨烯法向變形和表面波動情況,結(jié)合接觸質(zhì)量演化機制,分析了層數(shù)對光滑和粗糙銅基底上石墨烯低溫摩擦行為的影響;通過分析不同載荷下單層和多層模型的銅基底及石墨烯的法向變形,研究了低溫條件下石墨烯摩擦力隨法向載荷的變化規(guī)律;基于PTT模型,通過分析不同速度下摩擦力的粘滑特征,探究了石墨烯表面摩擦力隨速度的變化規(guī)律;根據(jù)不同粗糙度銅基底上頂層石墨烯的表面形貌以及不同粘附強度下粗糙銅基底對石墨烯順應(yīng)能力和表面波動的影響,研究了基底粗糙度和粘附強度對石墨烯低溫摩擦特性的影響規(guī)律。最后,對石墨烯表面粘附力和摩擦力隨溫度和摩擦參數(shù)等因素的變化規(guī)律進(jìn)行了實驗研究。測量了不同低溫條件下單層和多層石墨烯的粘附力,并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。研究了低溫下摩擦力隨溫度的變化規(guī)律,分析了低溫下單層和多層石墨烯摩擦力之間的差異以及法向載荷對石墨烯低溫摩擦力的影響,驗證了仿真結(jié)果的正確性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2
【圖文】：

因為低溫會改變界面接觸特性，造成摩擦的不穩(wěn)定，導(dǎo)致運動部出現(xiàn)爬行、遲滯等現(xiàn)象，進(jìn)而降低輸出精度。此外，航空器中的空間相機形網(wǎng)狀可展天線等空間活動機構(gòu)通常也在極端低溫條件下工作，需要合適滑劑提供低摩擦以及可預(yù)測的使用壽命[5]。微位移促動器低溫下的結(jié)霜結(jié)象和環(huán)形網(wǎng)狀可展天線空間機構(gòu)示意圖分別如圖 1-1 a)和圖 1-1 b)所示。

深入開發(fā)[10-12]，如圖 1-2 所示。此外，作為一種高度各向異性的二維材料，石墨烯具有原子級平整表面、化學(xué)惰性高、面內(nèi)高強度且層間易剪切，這些突出的性質(zhì)使石墨烯有望成為新興的固體潤滑劑。相關(guān)研究表明，極薄的石墨烯層即可實現(xiàn)從納米到宏觀的超潤滑狀態(tài)[13-15]。然而，當(dāng)前大多數(shù)研究均聚焦于石墨烯常溫下的摩擦特性，對石墨烯低溫摩擦特性知之甚少，這嚴(yán)重制約了石墨烯在低溫環(huán)境下的應(yīng)用。

氧化硅基底上的石墨烯表面滑動，其中實驗溫度范圍為 288K-388K。作者，直接在二氧化硅基底表面滑動時，摩擦力隨溫度升高而降低，如圖 1-示；而同一針尖在石墨烯表面滑動時，摩擦力卻隨著溫度的升高而增加， 1-3 b)所示。作者認(rèn)為這是由于溫度升高造成了更加劇烈的表面波動，顯制了熱潤滑效應(yīng)，從而導(dǎo)致摩擦力隨溫度升高而增加。

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本文編號：2760068