非公度接触石墨烯层间摩擦对压入深度的依赖性
发布时间：2021-03-30 17:49
近年来,以石墨烯为代表的层状二维纳米材料的摩擦力学行为受到广泛关注,许多新的纳尺度摩擦现象、规律及机理被陆续报道,推动纳米摩擦学取得了重要进展.然而,由于纳米级摩擦十分复杂,在建立摩擦力与影响因素之间的直接关联方面依然进展非常缓慢.论文利用分子动力学模拟方法,研究了衬底支撑石墨烯基底与石墨烯滑片之间的摩擦行为,着力考察了非公度接触情况下的摩擦规律.结果表明,石墨烯滑片和基底之间的摩擦力与压入深度直接相关,说明压入深度可作为纳尺度摩擦力的重要度量指标.特别地,法向载荷和衬底刚度对石墨烯摩擦的影响,都可通过压入深度归一化处理.该结果对理解二维材料表面弹性影响的摩擦规律具有重要的理论意义.
【文章来源】：固体力学学报. 2020,41(03)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
不同的确定载荷条件下, 压入深度
图1(a)所示, 矩形石墨烯滑片尺寸确定不变, 由1560个碳原子组成, 垂直、平行于运动方向的边长分别为L=6.184 nm、W=6.208 nm. 基底包含12000个碳原子, 长、宽分别为45.375 nm、6.254 nm. 模拟过程中, 下层石墨烯基底沿面内(x、z轴)方向施加周期性边界条件, 则各对边均可以完美地衔接起来构成一个无限大的基底, 可避免尺寸效应的影响; 同时上层滑片两侧(平行于z轴方向的两边)边界也可以通过周期边界条件正好完美的对接起来. 因此, 当前的计算模型中滑片仅存在运动方向前后端与基底接触的边界.图1(b)所示, 利用 “石墨烯-弹簧” 模型[28]模拟弹簧支撑的石墨烯基底及其支撑刚度. 利用该模型研究摩擦对基底刚度的依赖性时, Zhang等[29]分别将弹簧支撑石墨烯基底和双层石墨烯基底(底层固定)与石墨烯滑片之间摩擦进行对比, 验证了基于 “石墨烯-弹簧” 模型研究弹性基底表面摩擦性能为行之有效的方法. 模拟中, 支撑弹簧刚度k在0.1～6.0 nN/nm范围内变动, 该数值范围与双层石墨烯层间弹簧刚度系数为2.7 nN/nm较接近[30]. 限制基底质心在x和z轴方向固定以避免其沿面内移动, 另外限制滑片的面内旋转以及沿x轴方向的平动. 施加均布法向载荷fn作用于每个滑片原子上, 在该压力作用下滑片将逐渐趋近于基底表面, 引起基底发生面外弯曲变形. 不失一般性, 计算时法向载荷的变化范围是0～0.4 nN/atom, 相应的层间压强为0～15.2 GPa, 与已有的实验及原子模拟中采用的数值范围接近[31, 32]. 计算中对滑片原子均施加一个恒定的速度v=30 m/s使其整体沿着z轴正方向滑动, 则滑片质心将保持该速度前行, 如此可避免因速度加载方式而引起的层内变形对摩擦的影响. 通过计算滑片滑动时受到的切向力(或称为瞬时摩擦阻力), 该力随着滑片位移(时间)呈锯齿形变化, 选取一定周期内该力对时间的平均值得到平均摩擦力.
还将特别考察不同刚度的弹簧支撑的基底与滑片之间摩擦力与压入深度(此时压入深度与载荷相关)的定量依赖关系. 如图4所示, 当支撑弹簧刚度取不同值时, 分别得到摩擦力随压入深度变化的曲线图, 其中压入深度的变化与法向载荷大小相关. 结果表明, 对于不同刚度弹簧支撑的基底, 随着压入深度的增加而摩擦力逐渐增大, 满足超线性关系. 该结果与Peng等[37]的AFM实验所得摩擦力的变化趋势一致. 特别发现, 不同刚度对应的 “摩擦力-压入深度曲线” 基本重合. 即就是说, 当法向载荷变化时, 摩擦力仅与基底表面的压入深度(随法向载荷变化)有关, 表明摩擦力与压入深度直接相关.2.2 支撑弹簧刚度改变
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维材料纳米尺度摩擦行为及其机制[J]. 李群仰,张帅,祁一洲,姚泉舟,黄月华. 固体力学学报. 2017(03)
[2]超润滑:“零”摩擦的世界[J]. 郑泉水,欧阳稳根,马明,张首沫,赵治华,董华来,林立. 科技导报. 2016(09)
本文编号：3109897
【文章来源】：固体力学学报. 2020,41(03)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
不同的确定载荷条件下, 压入深度
图1(a)所示, 矩形石墨烯滑片尺寸确定不变, 由1560个碳原子组成, 垂直、平行于运动方向的边长分别为L=6.184 nm、W=6.208 nm. 基底包含12000个碳原子, 长、宽分别为45.375 nm、6.254 nm. 模拟过程中, 下层石墨烯基底沿面内(x、z轴)方向施加周期性边界条件, 则各对边均可以完美地衔接起来构成一个无限大的基底, 可避免尺寸效应的影响; 同时上层滑片两侧(平行于z轴方向的两边)边界也可以通过周期边界条件正好完美的对接起来. 因此, 当前的计算模型中滑片仅存在运动方向前后端与基底接触的边界.图1(b)所示, 利用 “石墨烯-弹簧” 模型[28]模拟弹簧支撑的石墨烯基底及其支撑刚度. 利用该模型研究摩擦对基底刚度的依赖性时, Zhang等[29]分别将弹簧支撑石墨烯基底和双层石墨烯基底(底层固定)与石墨烯滑片之间摩擦进行对比, 验证了基于 “石墨烯-弹簧” 模型研究弹性基底表面摩擦性能为行之有效的方法. 模拟中, 支撑弹簧刚度k在0.1～6.0 nN/nm范围内变动, 该数值范围与双层石墨烯层间弹簧刚度系数为2.7 nN/nm较接近[30]. 限制基底质心在x和z轴方向固定以避免其沿面内移动, 另外限制滑片的面内旋转以及沿x轴方向的平动. 施加均布法向载荷fn作用于每个滑片原子上, 在该压力作用下滑片将逐渐趋近于基底表面, 引起基底发生面外弯曲变形. 不失一般性, 计算时法向载荷的变化范围是0～0.4 nN/atom, 相应的层间压强为0～15.2 GPa, 与已有的实验及原子模拟中采用的数值范围接近[31, 32]. 计算中对滑片原子均施加一个恒定的速度v=30 m/s使其整体沿着z轴正方向滑动, 则滑片质心将保持该速度前行, 如此可避免因速度加载方式而引起的层内变形对摩擦的影响. 通过计算滑片滑动时受到的切向力(或称为瞬时摩擦阻力), 该力随着滑片位移(时间)呈锯齿形变化, 选取一定周期内该力对时间的平均值得到平均摩擦力.
还将特别考察不同刚度的弹簧支撑的基底与滑片之间摩擦力与压入深度(此时压入深度与载荷相关)的定量依赖关系. 如图4所示, 当支撑弹簧刚度取不同值时, 分别得到摩擦力随压入深度变化的曲线图, 其中压入深度的变化与法向载荷大小相关. 结果表明, 对于不同刚度弹簧支撑的基底, 随着压入深度的增加而摩擦力逐渐增大, 满足超线性关系. 该结果与Peng等[37]的AFM实验所得摩擦力的变化趋势一致. 特别发现, 不同刚度对应的 “摩擦力-压入深度曲线” 基本重合. 即就是说, 当法向载荷变化时, 摩擦力仅与基底表面的压入深度(随法向载荷变化)有关, 表明摩擦力与压入深度直接相关.2.2 支撑弹簧刚度改变
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维材料纳米尺度摩擦行为及其机制[J]. 李群仰,张帅,祁一洲,姚泉舟,黄月华. 固体力学学报. 2017(03)
[2]超润滑:“零”摩擦的世界[J]. 郑泉水,欧阳稳根,马明,张首沫,赵治华,董华来,林立. 科技导报. 2016(09)
本文编号：3109897
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