石墨烯具有獨特的性能和廣泛的應用前景,這使得其成為材料和凝聚態(tài)領域的研究熱點,并引起工業(yè)界極大的關注。但是,在石墨烯的制備、轉移及應用的過程中存在很多與石墨烯力學特性相關的重要科學與工程問題亟待解決,所以對石墨烯力學特性的深入研究能夠有效地促進石墨烯基礎研究和產(chǎn)業(yè)化的進步與發(fā)展。為此,本文主要采用納米壓痕、納米劃痕和拉曼變溫實驗,以及相應的分子動力學模擬手段,研究了石墨烯及石墨烯/襯底體系的力學性能,其主要研究內(nèi)容和成果如下：在介紹分子動力學模擬方法的基礎之上,系統(tǒng)地研究了溫度、缺陷、應變率等因素對石墨烯拉伸力學性能(極限強度、極限應變和彈性模量)的影響。隨著溫度的升高,石墨烯的力學性能指標都會減��；缺陷的存在使得石墨烯的極限強度和極限應變顯著減��；高應變率會使石墨烯的力學性能指標增大；氫化石墨烯的力學性能明顯低于石墨烯的力學性能。系統(tǒng)地研究了懸浮石墨烯的納米壓痕力學特性,重點考慮了溫度、加載速率、缺陷、石墨烯半徑和壓頭半徑等因素對其力學性能的影響規(guī)律和機理,并研究了石墨烯AFM實驗中出現(xiàn)的Sink-in現(xiàn)象及其之后的納米壓痕力學特征,表明石墨烯和襯底界面間有很強的范德華力作用,其足以避免石墨烯在壓痕過程中發(fā)生滑移,保證了懸浮石墨烯的固支邊界條件；在懸浮石墨烯的基礎之上,研究了石墨烯/銅箔襯底體系的納米壓痕特性,表明石墨烯能夠極大地擴展銅箔襯底的彈性接觸范圍,有效地增加其法向承載力,對銅箔的力學特性具有顯著的增強作用；通過對石墨烯/銅箔襯底系統(tǒng)的納米壓痕實驗研究,發(fā)現(xiàn)了壓痕曲線的荷載驟降現(xiàn)象以及連續(xù)嚴重波動現(xiàn)象,實驗證明了石墨烯的存在對銅箔表面的納米壓痕力學行為有顯著的影響。研究了懸浮石墨烯的基本納米摩擦力學性能特征,并在此基礎之上著重研究了單層、雙層、三層石墨烯/銅箔襯底體系的納米摩擦力學特性,表明石墨烯的存在增強了銅箔的表面接觸剛度,擴大了低摩擦力的范圍,且摩擦力主要與壓入深度有很大的依賴關系而與石墨烯的層數(shù)關系很小：石墨烯/銅箔體系的納米摩擦實驗結果表明石墨烯能夠有效地降低金屬銅箔表面的摩擦系數(shù)。最后,采用變溫拉曼光譜實驗研究了石墨烯在銅箔、玻璃和二氧化硅三種襯底上的拉曼光譜特性,分析了石墨烯特征峰G峰和2D峰峰位移動與溫度變化的關系,揭示了峰位溫度系數(shù)不同的內(nèi)在力學機理。隨著溫度的升高,G峰和2D峰發(fā)生了顯著的紅移,且在不同襯底上時的峰位溫度系數(shù)不同,這就為研究在生長過程中石墨烯其與襯底間的相互作用提供了有益的實驗成果。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11

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本文編號：1476336