石墨烯磨損性能及磨損機制的納米力學實驗研究

《石墨烯磨損性能及磨損機制的納米力學實驗研究》是依託清華大學，由李群仰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯磨損性能及磨損機制的納米力學實驗研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：李群仰
• 項目類別：面上項目

項目摘要

石墨烯作為新型二維材料在微電子、感測、新能源以及潤滑等眾多領域擁有廣闊的潛在套用前景。然而，相比其光、電、熱等物理性質的深入研究，人們對石墨烯力學性能，特別是它在與周圍環境相互作用（如接觸、滑動等）中所具備的力學強度，卻了解甚少。本項目擬從納米尺度上，系統地研究石墨烯在不同力、熱、電載荷下的磨損性能。具體來講，本項目將發展基於原子力顯微鏡系統的納米磨損測試平台，並初步建立一套二維材料納米尺度磨損檢測的實驗規範。利用所發展的實驗手段，研究並揭示外界條件（如溫度、速度、濕度、基底粘著力強度等）以及內部分子結構缺陷對石墨烯磨損性能的影響，並為石墨烯在微器件以及固態潤滑領域的工程套用提供相關的材料數據和力學性能預測。最後，基於實驗和分析結果，本項目將從力學和物理角度探討分子層面上磨損的一般機理，為推動基於微觀機制的新一代磨損理論的建立奠定基礎。

結題摘要

石墨烯作為新興二維材料的典型代表，由於其優異的力學和潤滑特性，為解決固體表面的摩擦和磨損難題帶來了新的契機。近期研究發現，石墨烯儘管擁有超高的力學斷裂強度，然而在實際摩擦套用中仍頻繁出現失效現象。人們對其失效的機理以及破壞過程中表面構型、周邊環境和基底的影響，仍未有清楚的認識。本項目從納米尺度上對石墨烯的摩擦和磨損行為及其調控開展了系統的研究。 首先，我們搭建了基於AFM系統的石墨烯磨損測試平台，建立了納米尺度摩擦和磨損表征的試驗方法。 第二，基於上述平台和方法，我們實驗研究了石墨烯的抗磨損性能，並結合計算模型揭示了其磨損機制。研究結果表明：石墨烯在受面內接觸載荷作用下，其抵抗磨損的能力十分的突出，可以達到石墨烯的理論破壞強度；但如果接觸摩擦過程中有跨石墨烯邊緣的滑動，則其抵抗磨損的能力將大大降低。石墨烯邊緣抗磨損能力的顯著降低主要是由於邊緣碳原子懸鍵具有較大的化學活性容易與探針作用粘連，而且石墨烯邊緣在接觸滑動中容易發生掀起而形成摺疊撕裂。通過改變基底的剛度、粘附力和周邊環境的濕度可以顯著地影響這些破壞行為的發生。 第三，考慮到石墨烯等二維材料超強的面外變形能力，我們實驗探究了基底晶體取向、表面粗糙度以及石墨烯表面化學改性等對石墨烯摩擦和磨損行為的影響，並結合模擬計算揭示了若干二維材料表面摩擦的力學調控機制。