石墨烯纳米尺度摩擦学机理研究

来源 :赵为立 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xianxing599
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世界上约1/3的工业能耗是由摩擦引起,约80%的机械零件失效是由磨损引起,润滑是减小摩擦磨损的有效手段。石墨烯作为一种二维材料,表现出传统固体润滑材料所不具备的独特润滑性能,是一种有潜力的固体润滑剂。石墨烯润滑效果因摩擦副材料、润滑环境和自身表面形貌等不同而存在很大差异,这些现象的背后机理尚不清楚。对石墨烯纳米尺度上摩擦学机理进行研究有助于从本质上揭示润滑条件对石墨烯润滑效果的影响机制,从而为揭示石墨烯现有摩擦学现象和拓展新的润滑应用领域提供理论依据。本文采用分子动力学模拟方法研究了界面吸附作用和摩尔超晶格结构影响石墨烯摩擦学性能的机理,以及石墨烯提高纳米颗粒润滑效果的机制。(1)为揭示金属支撑单层石墨烯(MLG)摩擦磨损机理,模拟了金刚石探针在金属(镍(Ni(111))、铂(Pt(111))和铜(Cu(111))支撑MLG表面的滑动过程。MLG在金属表面的化学吸附会严重削弱MLG中C–C键强度,增强碳原子化学活性,降低MLG承载能力。自由吸附时,MLG/Ni(111)间为强化学作用;在载荷作用下,MLG/Pt(111)间吸附作用可由物理吸附转为化学吸附;即使在载荷作用下,石墨烯破损前,MLG/Cu(111)间始终为物理吸附。在探针底端,MLG在Ni(111)表面吸附作用最强,其次是Pt(111),最弱是Cu(111),这导致Ni(111)和Pt(111)支撑MLG的承载能力(分别在载荷为7和11 nN时破损)远低于Cu(111)支撑MLG(载荷为21 nN时破损)。在磨损过程中,裂纹尖端不受载荷影响,因此只有Ni(111)基底对MLG裂纹尖端C–C键强度有化学削弱作用,这导致Ni(111)支撑MLG的抗撕裂强度(提供了主要摩擦阻力)低于Pt(111)和Cu(111)支撑MLG,因此磨损过程中MLG/Ni(111)系统摩擦阻力最小。通过分析金属基底与MLG间电荷转移,发现MLG承载能力和抗撕裂强度的降低是由于界面间化学吸附导致电子从金属原子转移或偏向碳原子进而削弱了MLG中C–C键强度。(2)为揭示金属表面氧化对MLG摩擦磨损的影响机制,模拟了金刚石探针在镍/铁基基底(纯铁(Fe(111))、氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、纯镍(Ni(111))、氧化镍(NiO)和氧化高镍(Ni2O3))支撑MLG表面的滑动过程。MLG承载能力随着镍/铁表面氧化程度增大而升高;相同氧化程度时,镍基基底(NiOx)支撑MLG承载能力高于铁基基底(FeOx)支撑MLG。温度为300 K时,氧原子不与完整MLG发生化学反应,但会束缚金属原子的化学活性,降低MLG在镍/铁基基底表面的化学吸附,进而降低基底对MLG的化学削弱作用。因此镍/铁金属表面的氧化有助于提高石墨烯的耐磨性。在没有法向载荷影响的裂纹尖端,镍/铁表面氧化后不会削弱MLG的抗撕裂强度,这导致磨损过程中,氧化表面MLG提供的摩擦阻力大于纯镍/铁表面MLG。通过电荷分析,发现电负性较大的氧原子束缚了镍/铁原子中电子,这导致镍/铁原子中电子转移至或偏向碳原子的能力降低,镍/铁氧化表面对MLG的化学削弱作用降低。铁元素的电负性低于镍元素,因此铁原子中电子更容易转移或偏向碳原子。这导致相同氧化程度时,FeOx对MLG中C-C键强度的化学削弱作用大于NiOx。(3)为揭示摩尔超晶格结构对石墨烯表面摩擦的影响机制,模拟了弱/强黏着作用下探针分别滑过Pt(111)支撑有/无摩尔条纹的纯净和氢化石墨烯的过程。弱黏着作用下,无论是纯净石墨烯还是氢化石墨烯,摩尔超晶格结构表面摩擦力峰值均明显较大,这是由于摩尔超晶格结构起伏引起的“爬坡”效应增强探针与纯净/氢化石墨烯间接触的公度性,同时降低探针表面原子横向力对称性。但摩尔超晶格结构在探针“下坡”时将促进探针运动,因此在摩尔超晶格结构表面滑动的整个过程中,探针的横向原子力分布对称性较好,这导致:有摩尔条纹的氢化石墨烯表面平均摩擦力小于无摩尔条纹氢化石墨烯表面平均摩擦力;有/无摩尔条纹纯净石墨烯表面平均摩擦力差异不大。强黏着作用下,氢化石墨烯在探针周围形成褶皱,石墨烯发生较大形变。通过对比分析瞬态摩擦力与氢化石墨烯应变能变化率,发现由褶皱的演变引起的氢化石墨烯应变能变化率是影响摩擦力的一个直接因素。氢原子的摩尔分布(氢原子吸附在摩尔超晶格结构凸起处)可以增强氢化石墨烯与铂基底间的吸附作用,抑制褶皱的形成,降低应变能变化率,进而减少通过氢化石墨烯应变而耗散的能量。因此强黏着作用下氢覆率相同时,有摩尔条纹的氢化石墨烯表面平均摩擦力明显小于无摩尔条纹的氢化石墨烯表面平均摩擦力。(4)为揭示石墨烯提高纳米颗粒润滑效果的机制,模拟了纳米金刚石颗粒(CND)和碳纳米卷颗粒(CNS,由CND和包裹在其表面的石墨烯构成)分别置于摩擦副类金刚石(DLC)和非晶态二氧化硅(a-SiO2)间的润滑过程。CNS的摩擦系数(COF)相对于CND降低了72%,并且CNS实现了超滑,这与实验结果相吻合。一方面石墨烯削弱了CND/DLC间的“扎钉”作用,导致DLC/CNS间接触面积小于DLC/CND间接触面积;另一方面,与宏观尺度下滚珠运动减小摩擦不同,纳米颗粒的运动增加了系统能量耗散,因此削弱了纳米颗粒的润滑效果;CND包裹石墨烯后,其运动受到抑制,这减少了系统能量耗散,因此通过对纳米颗粒运动的抑制作用,石墨烯进一步提高了CND的润滑效果。
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