【摘 要】
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石墨烯作为固体润滑材料已获得广泛的研究,但实验制备的石墨烯表面存在大量的原子级台阶,且环境分子易于吸附在具有丰富悬键的台阶边缘,这两者都可能对石墨烯摩擦学特性产生重要影响。本文应用Reax FF反应力场分子动力学模拟方法,研究了环境条件（真空,潮湿环境）、台阶边缘功能基团（氢钝化,羟基钝化）等对石墨烯台阶处摩擦行为、耐磨特性和承载能力的影响与作用机制。主要研究内容如下:（1）模拟了金刚石探针在石墨
【基金项目】
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基于界面力-化学反应的石墨烯薄膜磨损自修复机制研究,国家自然科学基金资助项目,项目编号:51775066
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石墨烯作为固体润滑材料已获得广泛的研究,但实验制备的石墨烯表面存在大量的原子级台阶,且环境分子易于吸附在具有丰富悬键的台阶边缘,这两者都可能对石墨烯摩擦学特性产生重要影响。本文应用Reax FF反应力场分子动力学模拟方法,研究了环境条件（真空,潮湿环境）、台阶边缘功能基团（氢钝化,羟基钝化）等对石墨烯台阶处摩擦行为、耐磨特性和承载能力的影响与作用机制。主要研究内容如下:（1）模拟了金刚石探针在石墨烯台阶/HOPG表面滑动、登上台阶的滑动摩擦过程,研究了环境条件（真空,潮湿环境）、台阶边缘功能基团（氢钝化,羟基钝化）等对系统台阶处摩擦行为的影响;计算了界面接触面积、水分子数量变化,解释了潮湿环境下两种功能化台阶边缘的不同粘着力行为;分析了两种台阶边缘功能基团与水分子形成不同的作用机制;比较不同环境条件模型,分析了登上台阶过程中液态水不同形态（液态水膜,弯液面）的存在形式对界面粘着作用具有不同的影响作用机理。（2）对前述金刚石探针-石墨烯台阶/HOPG模型进行了一系列载荷的测算,获得了不同环境条件（真空,潮湿环境）、台阶边缘功能基团（氢钝化,羟基钝化）模型磨损发生的起始临界载荷;通过观察耐磨性能测试过程的原子构型演变,发现了磨损失效形式与台阶边缘功能基团种类直接相关,解释了台阶边缘功能基团对磨损临界载荷的作用机理;通过对比不同环境模型磨损发生的起始临界载荷,分析了环境水分通过两种水分子作用机制（钝化、润滑作用）增强石墨烯台阶处耐磨性能的作用机理。（3）模拟了金刚石探针沿法向方向趋近石墨烯台阶/HOPG表面的压痕过程,研究了环境条件（真空,潮湿环境）、台阶边缘功能基团（氢钝化,羟基钝化）等对石墨烯片层承载能力的影响;计算了载荷-压痕深度曲线,结合界面C-C键的键序变化,获得了石墨烯各片层失效发生的极限应力;通过观察台阶处的纳米压痕过程,发现了环境水分既能以水层形式分散受力、提高台阶层承载能力,又能通过水解反应加速裂纹拓展、降低HOPG各片层承载能力的作用机理;通过观察压痕加载过程的原子构型演变,分析了台阶边缘羟基削弱成键位点强度、降低羟基化模型承载能力的作用机理。
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