近年來,以石墨烯為代表的層狀二維納米材料的摩擦力學行為受到廣泛關注,許多新的納尺度摩擦現象、規(guī)律及機理被陸續(xù)報道,推動納米摩擦學取得了重要進展.然而,由于納米級摩擦十分復雜,在建立摩擦力與影響因素之間的直接關聯方面依然進展非常緩慢.論文利用分子動力學模擬方法,研究了襯底支撐石墨烯基底與石墨烯滑片之間的摩擦行為,著力考察了非公度接觸情況下的摩擦規(guī)律.結果表明,石墨烯滑片和基底之間的摩擦力與壓入深度直接相關,說明壓入深度可作為納尺度摩擦力的重要度量指標.特別地,法向載荷和襯底剛度對石墨烯摩擦的影響,都可通過壓入深度歸一化處理.該結果對理解二維材料表面彈性影響的摩擦規(guī)律具有重要的理論意義. 

【文章來源】：固體力學學報. 2020,41(03)北大核心CSCD

【文章頁數】：9 頁

【部分圖文】：

不同的確定載荷條件下, 壓入深度

圖1(a)所示, 矩形石墨烯滑片尺寸確定不變, 由1560個碳原子組成, 垂直、平行于運動方向的邊長分別為L=6.184 nm、W=6.208 nm. 基底包含12000個碳原子, 長、寬分別為45.375 nm、6.254 nm. 模擬過程中, 下層石墨烯基底沿面內(x、z軸)方向施加周期性邊界條件, 則各對邊均可以完美地銜接起來構成一個無限大的基底, 可避免尺寸效應的影響; 同時上層滑片兩側(平行于z軸方向的兩邊)邊界也可以通過周期邊界條件正好完美的對接起來. 因此, 當前的計算模型中滑片僅存在運動方向前后端與基底接觸的邊界.圖1(b)所示, 利用 “石墨烯-彈簧” 模型[28]模擬彈簧支撐的石墨烯基底及其支撐剛度. 利用該模型研究摩擦對基底剛度的依賴性時, Zhang等[29]分別將彈簧支撐石墨烯基底和雙層石墨烯基底(底層固定)與石墨烯滑片之間摩擦進行對比, 驗證了基于 “石墨烯-彈簧” 模型研究彈性基底表面摩擦性能為行之有效的方法. 模擬中, 支撐彈簧剛度k在0.1～6.0 nN/nm范圍內變動, 該數值范圍與雙層石墨烯層間彈簧剛度系數為2.7 nN/nm較接近[30]. 限制基底質心在x和z軸方向固定以避免其沿面內移動, 另外限制滑片的面內旋轉以及沿x軸方向的平動. 施加均布法向載荷fn作用于每個滑片原子上, 在該壓力作用下滑片將逐漸趨近于基底表面, 引起基底發(fā)生面外彎曲變形. 不失一般性, 計算時法向載荷的變化范圍是0～0.4 nN/atom, 相應的層間壓強為0～15.2 GPa, 與已有的實驗及原子模擬中采用的數值范圍接近[31, 32]. 計算中對滑片原子均施加一個恒定的速度v=30 m/s使其整體沿著z軸正方向滑動, 則滑片質心將保持該速度前行, 如此可避免因速度加載方式而引起的層內變形對摩擦的影響. 通過計算滑片滑動時受到的切向力(或稱為瞬時摩擦阻力), 該力隨著滑片位移(時間)呈鋸齒形變化, 選取一定周期內該力對時間的平均值得到平均摩擦力.

還將特別考察不同剛度的彈簧支撐的基底與滑片之間摩擦力與壓入深度(此時壓入深度與載荷相關)的定量依賴關系. 如圖4所示, 當支撐彈簧剛度取不同值時, 分別得到摩擦力隨壓入深度變化的曲線圖, 其中壓入深度的變化與法向載荷大小相關. 結果表明, 對于不同剛度彈簧支撐的基底, 隨著壓入深度的增加而摩擦力逐漸增大, 滿足超線性關系. 該結果與Peng等[37]的AFM實驗所得摩擦力的變化趨勢一致. 特別發(fā)現, 不同剛度對應的 “摩擦力-壓入深度曲線” 基本重合. 即就是說, 當法向載荷變化時, 摩擦力僅與基底表面的壓入深度(隨法向載荷變化)有關, 表明摩擦力與壓入深度直接相關.2.2 支撐彈簧剛度改變

【參考文獻】：
期刊論文
[1]二維材料納米尺度摩擦行為及其機制[J]. 李群仰,張帥,祁一洲,姚泉舟,黃月華.  固體力學學報. 2017(03)
[2]超潤滑:“零”摩擦的世界[J]. 鄭泉水,歐陽穩(wěn)根,馬明,張首沫,趙治華,董華來,林立.  科技導報. 2016(09)



本文編號：3109897