【摘要】：石墨烯(Graphene)是迄今為止人類測量過的強度最高的材料,具有優(yōu)異的力學、電學、光學、和熱學性能,成為最有深刻改變?nèi)祟惿鐣䴘摿Φ牟牧现?也是固體潤滑劑的重要備選材料。原子力顯微鏡(AFM)是在納米尺度上研究物質(zhì)性能的重要儀器,也是研究石墨烯性能的常用工具。研究AFM探針與石墨烯之間的接觸、摩擦規(guī)律,對充分理解AFM探針與石墨烯之間的黏結(jié)行為特征,進一步利用原子力顯微鏡研究石墨烯和其他二維材料具有重要意義。本文基于AFM探針表面原子、石墨烯原子排列特征,針對黏結(jié)力和接觸面積,應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學理論和有限元方法(FEM),對AFM探針和石墨烯之間的黏結(jié)行為進行了數(shù)值模擬,并在硅基體進行了探針和石墨烯的黏結(jié)實驗。本文主要研究內(nèi)容如下:①根據(jù)黏結(jié)測試系統(tǒng)中石墨烯、探針、基體尺寸特征和作用體之間的物理、力學作用影響因素,結(jié)合力、接觸面積、基體表面作用、厚度相互影響關(guān)系的測試目的,分析并抽取系統(tǒng)關(guān)鍵建模因素,建立了石墨烯-納米探針黏結(jié)行為的有限元分析模型。②基于石墨烯單原子厚度的二維材料特征,分析連續(xù)介質(zhì)力學理論與方法的適用性和特殊處理措施。結(jié)合碳納米管和石墨烯間的幾何關(guān)系,由碳納米管力學參數(shù)計算單層碳原子膜的力學參數(shù),建立了適用于石墨烯-納米探針粘結(jié)行為數(shù)值模擬的等效彈性殼模型。③針對特定的原子間作用勢,根據(jù)作用體不同的二維、三維原子排列結(jié)構(gòu),推導其界面勢能和作用力。根據(jù)石墨烯中碳原子面密度和探針、基體中原子等效體密度,通過石墨和二氧化硅界面之間及其自身界面之間的黏結(jié)功,確定了石墨烯、探針、基體模型中各界面勢能函數(shù)和作用力函數(shù)的基礎(chǔ)參數(shù)。④在無法定量確定石墨烯層間摩擦狀態(tài)情況下,針對層間零摩擦、層間無限大摩擦、層間有限摩擦三種情況,設(shè)定三類摩擦狀態(tài)模型。⑤為解決復雜非線性力和接觸狀態(tài)下難以求得靜態(tài)解的難題,應(yīng)用動態(tài)求解方法并采取探針間歇式進給方式,使探針懸停過程中系統(tǒng)能量逐步耗散,求得難收斂模型的準靜態(tài)解。⑥應(yīng)用隱式和顯式有限元分析方法,分別研究石墨烯厚度從一層增加至四層過程中,探針-石墨烯之間的作用力和黏結(jié)面積。通過求解不同基體表面影響因數(shù)、不同石墨烯厚度條件下的探針黏結(jié)力、黏結(jié)面積,研究不同強度基體影響情況下,石墨烯從薄變厚過程中,探針黏結(jié)力、黏結(jié)面積的變化關(guān)系。⑦用機械剝離法制備不同厚度的石墨烯,并在硅基體上用原子力顯微鏡進行黏結(jié)測試,與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析。本論文取得的成果如下:①層間零摩擦、層間無限大摩擦、和層間有限摩擦三類模型結(jié)果,顯示了石墨烯從單層增加至多層過程中,黏結(jié)力隨層數(shù)和基體表面作用強度的變化趨勢。變化趨勢與理論分析和測試現(xiàn)象一致。②模擬計算和實驗結(jié)果均顯示出石墨烯與基體間的作用強度對探針黏結(jié)力和接觸面積關(guān)系的重要影響。研究結(jié)果清晰展示了強、弱基體表面作用狀態(tài)下,不同厚度石墨烯之間,黏結(jié)力與接觸面積之間方向相反的兩種變化趨勢。兩種相反趨勢對應(yīng)的強、弱基體表面作用強度之間沒有明顯過渡范圍的情況,顯示出隨強度變化出現(xiàn)的黏結(jié)行為特征突變現(xiàn)象。③石墨烯與基體間作用強度對等值黏結(jié)力作用下石墨烯接觸面積隨厚度變化關(guān)系的影響,使實際摩擦實驗中會產(chǎn)生摩擦力和厚度直接相關(guān)的顯著表現(xiàn),解釋了以石墨烯為代表的二維材料普遍存在的摩擦性能厚度依賴現(xiàn)象。④單層石墨烯和多層石墨烯對應(yīng)的黏結(jié)力在計算和實驗中的差異,顯示出探針表面粗糙度對單層和多層石墨烯的不同影響,為探針表面形貌和二維材料自身力學屬性的深入研究提出更多啟示。⑤計算和實驗結(jié)果中薄、厚石墨烯的黏結(jié)性能特征,為表面非理想光滑的探針在與二維材料黏結(jié)過程中可能存在的時間效應(yīng)現(xiàn)象提供了可能的機理基礎(chǔ)。⑥石墨烯和納米探針之間黏結(jié)特征與宏觀尺度材料相應(yīng)表現(xiàn)的明顯不同,顯示出范德華長程作用力在納米尺度材料行為上的直接作用,為更深入的二維材料力學性能研究提供了參考。本研究實現(xiàn)了應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學理論對石墨烯進行建模及力學性能的數(shù)值模擬,研究方法在一定條件下可推廣應(yīng)用至其它二維材料,為研究二維材料的力學性能提供了除分子動力學(MD)方法之外的參考途徑。計算結(jié)果為用原子力顯微鏡測量石墨烯的力學性能提供了探索性研究依據(jù)。
[Abstract]:Shi Moxi (Graphene) is the most powerful material measured by mankind so far. It has excellent mechanical, electrical, optical and thermal properties. It has become one of the most profound materials to change the potential of human society, and is also an important alternative for solid lubricants. AFM is an important study of material properties at nanoscale. It is also a common tool to study the properties of graphene. The study of the contact between the AFM probe and graphene, the law of friction, the full understanding of the bonding behavior between the AFM probe and the graphene, and the further study of graphene and other two-dimensional materials by atomic force microscopy. Based on the surface atom of the AFM probe, graphite The arrangement characteristics of the alkene atoms, using the continuum mechanics theory and the finite element method (FEM), the bonding behavior between the AFM probe and the graphene is numerically simulated by using the continuum mechanics theory and the finite element method (FEM). The bonding experiment between the probe and the graphene is carried out on the silicon substrate. The main contents are as follows: 1. The graphite in the bonding test system The finite element analysis model of the bonding behavior of graphene nano probe was established. The finite element analysis model of graphene nano probe was established. The applicability and special treatment measures of the continuum mechanics theory and method are analyzed. The mechanical parameters of the single layer carbon atom film are calculated by the mechanical parameters of the carbon nanotube and the mechanical parameters of the carbon nanotube. The equivalent elastic shell suitable for the numerical simulation of the bonding behavior of the graphene nanomi probe is established. In accordance with the specific interatomic potential, the interfacial potential energy and force are deduced according to the different two-dimensional and three-dimensional atomic arrangement structure of the acting body. Based on the carbon atomic surface density and the probe, the atomic equivalent body density in the matrix and the bonding work between the graphite and silicon dioxide interface and its interface, the stone is determined. The basic parameters of the potential energy function and the force function of each interface in the model of the ink ene, probe and matrix. (4) in the case of inability to determine the frictional state of the graphene, three kinds of friction state models are set for the zero friction between layers, infinite friction between layers and finite friction between layers. 5. To solve complex nonlinear forces and contact states. It is difficult to obtain the difficult problem of static solution. The dynamic solution method is applied and the probe batch feed is adopted to make the system energy dissipate gradually during the probe suspension process and obtain the quasi-static solution of the difficult convergence model. 6. The probe graphite is studied by using implicit and explicit finite element methods to study the Shi Moxi thickness from one layer to four layers. Force and bonding area between alkenes. By solving the influence factors of different substrate surface, the bonding area of the probe and the adhesion area under the different thickness of graphene, the relationship between the bonding force and the adhesion area of the probe in the thin thickness process, the bond force and the adhesive area of the probe. Graphene is tested on the silicon substrate by atomic force microscopy, and the results are compared with the numerical simulation results. The results obtained in this paper are as follows: (1) the results of three types of models, zero friction, infinite friction between layers, and interlayer finite friction, show that the bonding force varies with the number of layers and the matrix in the process of the increase of graphene from the monolayer to the multilayer. The change trend of the surface action strength. The change trend coincide with the theoretical analysis and the test phenomenon. 2. Both the simulated calculation and the experimental results show the important influence of the action strength between the graphene and the matrix on the relationship between the bond force and the contact area of the probe. The results clearly show the strong, weak base surface action state, the different thickness of the graphene Between the two trends in the opposite direction between the bonding force and the contact area. The strength of the two opposite trends is strong. There is no obvious transition range between the strength of the weak matrix surface and the phenomenon of the bonding behavior with the change of strength. 3. The peer-to-peer interaction between the interaction strength of graphene and the matrix The influence of the contact area of the contact with the thickness of the ink makes the friction force and the thickness directly related to the actual friction experiment. It explains the common friction thickness dependence of the two-dimensional material represented by graphene. (4) the bonding force corresponding to the single graphene and the multilayer calculus is in the calculation and experiment. The difference shows that the surface roughness of the probe has different effects on the monolayer and multilayered graphene, and puts forward more enlightenment for the deep study of the surface morphology of the probe and the mechanical properties of the two-dimensional material. The possible mechanism basis for the possible time effect is provided. 6. The bonding characteristics between the graphene and the nanoscale probe are obviously different from the macroscopic scale materials, which shows the direct effect of the van Edward's long-range force on the behavior of nanoscale materials, which provides a reference for the further study of the mechanical properties of the two dimensional materials. In this study, the numerical simulation of the modeling and mechanical properties of graphene by using the continuum mechanics theory is realized. The study method can be applied to other two-dimensional materials under certain conditions. It provides a reference for the study of the mechanical properties of two dimensional materials. The result is atomic force microscopy. The measurement of the mechanical properties of graphene provides an exploratory research basis.
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11;TB383.1

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本文編號：2124633