石墨烯粘着和摩擦性能的多尺度模型及精细表征

Based on atomic scale model, single-/multi-asperity contact and theory of thermodynamics and statistical physics, the trans-scale correlation between atomic interactions and macroscopic mechanical properties will be studied in this project, and the multi-scale models will be presented to explain the adhesion and friction properties between graphene and probes, graphene and other materials and the interlayer of multi-layer graphene. The static and dynamic frictional coefficients will be quantitatively characterized. Furthermore, the influence of dangling bonds, surface defects (including vacancies and Stone-Wales, etc.), surface chemical modifications, surface topography and commensurate interlayer structures of graphene on the adhesion and friction behaviors will be analyzed. The stick-slip friction and interlayer superlubricity phenomenon will be explained via the theoretical models. In addition, with the multi-field (electric field, temperature field) coupling effects taken into account, the theoretical models of electricity-, velocity- and temperature-dependent friction force will be explored. Finally, based on the probe, high-resolution electron microscopy and micro-Raman spectroscopy, new theories will be presented to characterize interactions between graphene and probes in the nanoscale, and to calculate the geometrical and physical parameters which are related to adhesion and friction of graphene. The key problems on cooperative measuring of material properties and mechanical parameters will be solved during the spectrum measuring, and the precision of measuring and the reliability of data will be improved.

基于原子尺度模型、单峰/多峰接触模型以及热力学与统计物理理论，本项目拟建立石墨烯原子尺度的相互作用和宏观力学性能之间的跨尺度关联，提出能够表征石墨烯与探针及其它材料之间以及多层石墨烯层与层之间粘着和摩擦性能的多尺度模型，定量表征石墨烯的摩擦系数。揭示悬键、表面缺陷（空位、Stone-Wales缺陷等）、表面化学修饰、表面拓扑结构以及层间对称性等因素对其粘着和摩擦性能的影响机制，揭示石墨烯"stick-slip"摩擦和"超润滑"现象的物理本质。探索建立多场（电场、温度场）耦合下，石墨烯摩擦力与电场、滑动速度以及温度相关的理论模型。基于探针技术、高分辨率电子显微以及微拉曼光谱技术，建立在纳米尺度下适用的、能够精确表征探针和石墨烯之间相互作用以及与石墨烯粘着和摩擦性能相关的几何、物理参量的新理论。解决光谱测量中的材料物性与力学参量协同测量的关键技术，提高石墨烯粘着及摩擦性能测量的精度和可靠性。

石墨烯在超灵敏传感器、固体润滑、柔性电子器件等领域有着广泛的应用前景，对石墨烯粘附和摩擦行为的认识程度是影响其应用的关键因素，然而目前相关的理论研究和实验表征尚不完善。本项目主要开展了单晶/多晶石墨烯力学性能的理论研究、石墨烯表面粘附及摩擦力学行为的理论和实验研究、石墨烯/基底系统在界面上的粘附性能和失效机理的理论和实验研究。建立了单层/双层理想石墨烯的原子尺度模型，研究了单层/双层理想石墨烯弹性性能的尺寸效应以及弹性屈曲行为。基于晶体位错理论，构建了任意晶界向错角的双晶石墨烯，计算了双晶石墨烯纳米带在单轴拉伸载荷作用下的杨氏模量和极限强度，分析了晶界向错角、手性、加载方向以及缺陷配置等因素对双晶石墨烯杨氏模量和极限强度的影响。基于原子间作用势，建立了原子/离子与石墨烯相互作用的理论模型，对不同原子/离子在石墨烯表面吸附和迁移的力学性能进行了研究，分析了几何尺寸和缺陷对原子/离子在石墨烯表面及层间迁移的影响。建立了原子力显微镜探针针尖与石墨烯相互作用的多尺度模型，研究了探针在石墨烯表面扫描时的静动态摩擦力。分析了探针与石墨烯的垂直距离、扫描速度以及阻尼等因素对针尖所受静动态摩擦力的影响，并开展了相应的实验测量，与理论研究结果具有较好的一致性。理论和实验研究了石墨烯与基体在界面上的应力传递和失效机理。采用微拉伸和微拉曼光谱法，原位测量了石墨烯在单轴拉伸载荷作用下从柔性基体上脱粘、滑移及剥离全过程的全场变形信息，定量表征了石墨烯和基体材料的脱粘应变及界面切应力强度。基于内聚力模型和剪滞模型，解析的给出了石墨烯在柔性基底上发生滑移、脱粘和屈曲时的临界应变，分析了界面黏着能和石墨烯几何尺寸对界面滑移和屈曲失稳的影响。相关研究成果对于高灵敏度传感器、药物传输系统、可再充锂离子电池以及基于石墨烯的柔性电子器件等的设计和应用有重要的指导意义。