石墨烯粘著和摩擦性能的多尺度模型及精細表征

《石墨烯粘著和摩擦性能的多尺度模型及精細表征》是依託天津大學，由郭建剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯粘著和摩擦性能的多尺度模型及精細表征
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：郭建剛
• 依託單位：天津大學

項目摘要

基於原子尺度模型、單峰/多峰接觸模型以及熱力學與統計物理理論，本項目擬建立石墨烯原子尺度的相互作用和巨觀力學性能之間的跨尺度關聯，提出能夠表征石墨烯與探針及其它材料之間以及多層石墨烯層與層之間粘著和摩擦性能的多尺度模型，定量表征石墨烯的摩擦係數。揭示懸鍵、表面缺陷（空位、Stone-Wales缺陷等）、表面化學修飾、表面拓撲結構以及層間對稱性等因素對其粘著和摩擦性能的影響機制，揭示石墨烯stick-slip摩擦和超潤滑現象的物理本質。探索建立多場（電場、溫度場）耦合洪謎下，石墨烯摩擦力與電場、滑動速度以及溫度相關的理論模型。基於探針技術、高解析度電子顯微以及微拉曼光譜技術，建立在納米尺度下適用的、能夠精確表征探針和石墨烯之間相互作用以及與石墨烯粘著和摩擦性能相關的幾何、物理參量的新理論。解決光譜測量中的材料物性與力學參量協同測量的關鍵技術，提高石墨烯粘著及摩擦性能測量的精度和可靠性。

結題摘要

石墨烯在超靈敏感測器、固體潤榜廈淚滑、柔性電子器件等領域有著廣泛的套用前景，對石墨烯粘附和摩擦行為的認識程度是影響其套用的關鍵因素，然而目前相關的理論研究和實驗表征尚不完善。本項目主要開展了單晶/多晶石墨烯力學性能的理論研究、石墨烯轎虹只表面粘附及摩擦力學行為的理論和實驗研究、石墨烯/基底系統在界面上的粘附性能和失效機理的理論和實驗研究。建立了單層/雙層理想石墨烯的原子尺度模型，研究了單層/雙層理想石墨烯彈性性能的尺寸效應以及彈性屈曲行為。基於晶體位錯理論，構建了任意晶界向錯角的雙晶石墨烯，計算了雙晶石墨烯納米帶在單軸拉伸載荷作用下的楊氏模量和極限強度，分析了晶界向錯角、手性、載入方向以及缺陷配置等因素對雙晶石墨烯楊氏模量和極限強度的影響。基於原子間作用勢，建立了原子/離子與石墨烯相互作用的理論模型，對嫌乃殼不同原子/離子在石墨烯表面吸附和遷移的力學性能進行了研究，分析了幾何尺寸和缺陷對原子/離子在石墨烯表面及層間遷移的影響求奔墓乎。建立了原子力顯微鏡探針針尖與石墨烯相互作用的多尺度模型，研究了探針在石墨烯表面掃描時的靜動態摩擦力。分析了探針與石墨烯的垂直距離、掃描速度以及阻尼等因素對針尖所受靜動態摩擦力的影響，並開展了相應的實驗測量，與理論研究結果具有較好的一致性。理論和實驗研究了石墨烯與基體在界面上的應力傳遞和失效機理。採用微拉伸和微拉曼光譜法，原位測量了石墨烯在單軸拉伸載荷作用下從柔性基體上脫粘、滑移及剝離全過程的全場變形信息，定量表征了石墨烯和基體材料的脫粘應變及界面切應力強度。基於內聚力模型和剪滯模型，解析的給出了石墨烯在柔性基底上發生滑移、脫粘和屈曲時的臨界應變，分析了界面黏著能和石墨烯幾何尺寸對界面滑移和屈曲失穩的影響。相關研究成果對於高靈敏度感測器、藥物傳輸系統、可再充鋰離子電池以及基於石墨烯糠旋艱的柔性電子器件等的設計和套用有重要的指導意義才棕奔熱。