發(fā)布時(shí)間：2017-12-13 20:23

  本文關(guān)鍵詞：納尺度接觸邊緣上的熵力研究

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【摘要】：在接觸問(wèn)題中,黏附的重要性隨尺度的減小而增加。在納米尺度,黏附成為了納米材料之間最主要的作用之一。本文研究了二維材料、特別是石墨烯的黏附過(guò)程,發(fā)現(xiàn)二維材料的黏附過(guò)程是一個(gè)可逆的放熱過(guò)程。研究進(jìn)一步揭示黏附引起的熵變是黏附過(guò)程中熱功轉(zhuǎn)化的原因,而且熵變導(dǎo)致一個(gè)存在于邊緣處的宏觀統(tǒng)計(jì)力-熵力。論文圍繞二維材料的黏附過(guò)程中的熵變和熵力,利用分子動(dòng)力學(xué)和解析模型對(duì)熵變的起因、依賴因素及其在摩擦中的作用開(kāi)展了系統(tǒng)研究。主要的內(nèi)容如下:⑴用分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示,把石墨烯黏附于基底或者從基底剝離過(guò)程中存在熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。具體來(lái)說(shuō),石墨烯從基底上剝離過(guò)程中,熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,系統(tǒng)溫度降低;石墨烯黏附于基底過(guò)程中,該作用完全相反,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能,系統(tǒng)溫度升高。導(dǎo)致熱功轉(zhuǎn)化的直接原因是二維材料懸空時(shí)的熵大于其吸附于基底時(shí)的熵,兩種狀態(tài)之間存在熵的自由能差。同時(shí)該熱功轉(zhuǎn)化過(guò)程中伴隨一個(gè)線性依賴于溫度的唯像的力,即熵力。⑵多壁碳納米管的層間的伸出和縮回運(yùn)動(dòng)中同樣存在熵變導(dǎo)致的熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。在普通的多壁碳納米管中,熵力在數(shù)值上要遠(yuǎn)小于層間的范德華力。但在緊致的多壁碳納米管中(層間距為0.31納米),熵力成為了影響系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)的決定性因素。當(dāng)系統(tǒng)溫度低于臨界溫度時(shí),緊致多壁碳納米管的層狀形態(tài)是穩(wěn)定的。但當(dāng)溫度高于臨界溫度時(shí),緊致多壁碳納米管各層會(huì)自發(fā)地互相脫離。⑶用解析模型研究了谷形勢(shì)阱對(duì)置于其中的一維單原子鏈的約束產(chǎn)生的熵力,獲得了熵力的解析表達(dá)式。該模型直觀地揭示了熵力的直接起源,以及熵力和溫度,及谷形勢(shì)阱的谷底曲率的關(guān)系。進(jìn)一步研究了石墨烯在三維的谷形勢(shì)阱中的熵力,獲得了石墨烯在三維勢(shì)阱中熵力的解析表達(dá)式,直接從模型的角度說(shuō)明了熵力和溫度線性關(guān)系。⑷揭示在石墨烯或多壁碳納米管的層間摩擦中,熵變引起的熱功轉(zhuǎn)化的過(guò)程中的耗散的一種主要的耗散機(jī)制。雖然熵變導(dǎo)致的熱功轉(zhuǎn)化在理論上是可逆的,但研究雙壁碳納米管振蕩器的振蕩過(guò)程說(shuō)明,在周期性的熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化過(guò)程中,在有限的速度下,這種熱轉(zhuǎn)化并不完全可逆。在熱能和機(jī)械能周期轉(zhuǎn)化的過(guò)程中產(chǎn)生的不可逆熵是導(dǎo)致了振動(dòng)的衰減主要原因。分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算顯示不可逆商產(chǎn)生的速率和相對(duì)滑動(dòng)速度之間的關(guān)系是線性的。⑸利用分子動(dòng)力學(xué)模擬了石墨烯層間滑動(dòng)中的摩擦。初步探討了納米尺度摩擦力的定義以及在分子模擬中的統(tǒng)計(jì)方法。計(jì)算了摩擦力和速度、溫度及層間公度角之間的關(guān)系。進(jìn)一步證明了熵力導(dǎo)致的邊緣摩擦(熵變導(dǎo)致的耗散主要出現(xiàn)在邊緣)是石墨烯層間摩擦的主要來(lái)源。⑹研究了多晶石墨烯這種帶缺陷結(jié)構(gòu)的二維材料的摩擦特性。多晶石墨烯層間摩擦對(duì)垂直方向壓力的依賴較為復(fù)雜,我們揭示存在兩種互相競(jìng)爭(zhēng)的耗散機(jī)制:一種是通常和接觸面積以及作用強(qiáng)度相關(guān)的耗散;另一種即為熵變引起的熱功轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的耗散。多晶石墨烯的不完全接觸導(dǎo)致隔空區(qū)域的存在,隔空區(qū)域的邊緣長(zhǎng)度隨著壓力的增加而減小,這導(dǎo)致在壓力較小區(qū)域摩擦隨著壓力的增加減小的奇特摩擦現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O343.3

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本文編號(hào)：1286460