近年來,以石墨烯為代表的層狀二維納米材料的摩擦力學(xué)行為受到廣泛關(guān)注,許多新的納尺度摩擦現(xiàn)象、規(guī)律及機(jī)理被陸續(xù)報(bào)道,推動(dòng)納米摩擦學(xué)取得了重要進(jìn)展.然而,由于納米級(jí)摩擦十分復(fù)雜,在建立摩擦力與影響因素之間的直接關(guān)聯(lián)方面依然進(jìn)展非常緩慢.論文利用分子動(dòng)力學(xué)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(jié)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(guān),說明壓入深度可作為納尺度摩擦力的重要度量指標(biāo).特別地,法向載荷和襯底剛度對(duì)石墨烯摩擦的影響,都可通過壓入深度歸一化處理.該結(jié)果對(duì)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(xué)學(xué)報(bào). 2020,41(03)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【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(gè)碳原子組成, 垂直、平行于運(yùn)動(dòng)方向的邊長(zhǎng)分別為L(zhǎng)=6.184 nm、W=6.208 nm. 基底包含12000個(gè)碳原子, 長(zhǎng)、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(nèi)(x、z軸)方向施加周期性邊界條件, 則各對(duì)邊均可以完美地銜接起來構(gòu)成一個(gè)無限大的基底, 可避免尺寸效應(yīng)的影響; 同時(shí)上層滑片兩側(cè)(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(duì)接起來. 因此, 當(dāng)前的計(jì)算模型中滑片僅存在運(yùn)動(dòng)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(duì)基底剛度的依賴性時(shí), 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(jìn)行對(duì)比, 驗(yàn)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(nèi)變動(dòng), 該數(shù)值范圍與雙層石墨烯層間彈簧剛度系數(shù)為2.7 nN/nm較接近[30]. 限制基底質(zhì)心在x和z軸方向固定以避免其沿面內(nèi)移動(dòng), 另外限制滑片的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)以及沿x軸方向的平動(dòng). 施加均布法向載荷fn作用于每個(gè)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(jì)算時(shí)法向載荷的變化范圍是0～0.4 nN/atom, 相應(yīng)的層間壓強(qiáng)為0～15.2 GPa, 與已有的實(shí)驗(yàn)及原子模擬中采用的數(shù)值范圍接近[31, 32]. 計(jì)算中對(duì)滑片原子均施加一個(gè)恒定的速度v=30 m/s使其整體沿著z軸正方向滑動(dòng), 則滑片質(zhì)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(nèi)變形對(duì)摩擦的影響. 通過計(jì)算滑片滑動(dòng)時(shí)受到的切向力(或稱為瞬時(shí)摩擦阻力), 該力隨著滑片位移(時(shí)間)呈鋸齒形變化, 選取一定周期內(nèi)該力對(duì)時(shí)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(shí)壓入深度與載荷相關(guān))的定量依賴關(guān)系. 如圖4所示, 當(dāng)支撐彈簧剛度取不同值時(shí), 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(guān). 結(jié)果表明, 對(duì)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(guān)系. 該結(jié)果與Peng等[37]的AFM實(shí)驗(yàn)所得摩擦力的變化趨勢(shì)一致. 特別發(fā)現(xiàn), 不同剛度對(duì)應(yīng)的 “摩擦力-壓入深度曲線” 基本重合. 即就是說, 當(dāng)法向載荷變化時(shí), 摩擦力僅與基底表面的壓入深度(隨法向載荷變化)有關(guān), 表明摩擦力與壓入深度直接相關(guān).2.2 支撐彈簧剛度改變

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]二維材料納米尺度摩擦行為及其機(jī)制[J]. 李群仰,張帥,祁一洲,姚泉舟,黃月華.  固體力學(xué)學(xué)報(bào). 2017(03)
[2]超潤(rùn)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(dǎo)報(bào). 2016(09)



本文編號(hào)：3109897