【摘 要】
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石墨烯具有超高力学强度、易于剪切的层间界面,且超薄至几个原子层厚度,可开发应用作为固体润滑材料。环境水分子可能吸附到摩擦界面,对系统摩擦学行为产生重要影响,但其作用机制尚未有足够深入的研究。本文应用第一性原理分子动力学模拟方法,研究了界面水分子、石墨烯表面官能团等对石墨烯/石墨烯系统、二氧化硅/石墨烯/二氧化硅系统摩擦学行为的影响。主要研究工作如下:模拟了石墨烯/石墨烯片层间的滑动摩擦过程,研究了
【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,项目批准号:51775066；
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石墨烯具有超高力学强度、易于剪切的层间界面,且超薄至几个原子层厚度,可开发应用作为固体润滑材料。环境水分子可能吸附到摩擦界面,对系统摩擦学行为产生重要影响,但其作用机制尚未有足够深入的研究。本文应用第一性原理分子动力学模拟方法,研究了界面水分子、石墨烯表面官能团等对石墨烯/石墨烯系统、二氧化硅/石墨烯/二氧化硅系统摩擦学行为的影响。主要研究工作如下:模拟了石墨烯/石墨烯片层间的滑动摩擦过程,研究了界面水分子（覆盖率为0,100%）、石墨烯表面官能团（羟基,覆盖率为0,25%）等对系统摩擦学行为的影响。计算、比较了各个系统滑动过程的摩擦力变化;对于石墨烯/石墨烯系统,通过计算原子重合面积（Registry Index）估算了石墨烯片层间相对滑动的能量势垒,解释了该系统摩擦力曲线的周期性变化特性;对于氧化石墨烯/氧化石墨烯系统,观察到在较大载荷下上/下氧化石墨烯表面之间的界面质子转移,进一步地计算了滑动过程中发生的界面质子转移数量,结果表明界面质子转移数量与摩擦力大小存在一定的相关性;研究了界面水分子的分布形态和运动行为,发现在氧化石墨烯/氧化石墨烯系统中水分子流动受到表面形成水合氢离子的影响,在较大载荷下流动速度呈现为梯形分布,这与宏观牛顿流体模型相似。模拟了二氧化硅/石墨烯/二氧化硅系统在挤压-剪切作用下的滑动摩擦过程,研究了界面水分子（覆盖率为0、50%和100%）、石墨烯表面官能团（羟基,覆盖率为0、12.5%、25%和50%）等对系统摩擦学行为的影响。计算了挤压-剪切过程中的摩擦力变化,比较了各个模型的摩擦系数;通过比较系统各部分的相对滑动位移,明确了挤压-剪切过程中剪切发生位置。研究表明二氧化硅/石墨烯/二氧化硅系统可发生较为复杂的剪切面转变,其根本原因是覆盖在二氧化硅基底的（氧化）石墨烯片层可能发生相对于基底的滑移运动;由于挤压-剪切过程中（氧化）石墨烯片层还存在类似振动的快速往复运动,计算了（氧化）石墨烯片层沿滑动方向速度的波动幅度,分析表明片层运动速度波动均方差与摩擦系数之间存在正相关性;研究了界面水分子的分布形态、偶极矩取向分布。通过计算水分子/上基底、水分子/氧化石墨烯片层之间形成的氢键数量差异,解释了表面官能团对水分子取向分布的影响作用。
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