石墨烯磨损性能及磨损机制的纳米力学实验研究

As a novel two-dimensional (2D) material, graphene has been shown to have many fascinating potential applications in microelectronics, sensing devices, energy harnessing and storage as well as solid surface lubrication. Nevertheless, in contrast to the enormous studies on optical, electric and thermal properties of graphene, much less has been done to understand how graphene interacts with its surroundings through mechanical contacts. In this proposed work, we will systematically study the nano-scale wear property of graphene when it is subjected to various mechanical, thermal and electric loads. More specifically, we will first develop a universal platform and the experimental protocols to characterize nano-scale wear of atomically-thin 2D materials. Utilizing the established experimental platform, we will study and elucidate the effects of external loading conditions (e.g. temperature, sliding speed, humidity, substrate adhesion and internal atomic defects) on nano-scale wear property of graphene. The findings will provide useful materials data and help establish mechanical models for graphene devices/structures used in microelectronics and lubrication applications. Last but not least, we will explore the molecular origins of wear based on mechanics and physics modeling of the experimental results, which we believe will contribute greatly to deeper understanding and the new theoretical development of wear.

石墨烯作为新型二维材料在微电子、传感、新能源以及润滑等众多领域拥有广阔的潜在应用前景。然而，相比其光、电、热等物理性质的深入研究，人们对石墨烯力学性能，特别是它在与周围环境相互作用（如接触、滑动等）中所具备的力学强度，却了解甚少。本项目拟从纳米尺度上，系统地研究石墨烯在不同力、热、电载荷下的磨损性能。具体来讲，本项目将发展基于原子力显微镜系统的纳米磨损测试平台，并初步建立一套二维材料纳米尺度磨损检测的实验规范。利用所发展的实验手段，研究并揭示外界条件（如温度、速度、湿度、基底粘着力强度等）以及内部分子结构缺陷对石墨烯磨损性能的影响，并为石墨烯在微器件以及固态润滑领域的工程应用提供相关的材料数据和力学性能预测。最后，基于实验和分析结果，本项目将从力学和物理角度探讨分子层面上磨损的一般机理，为推动基于微观机制的新一代磨损理论的建立奠定基础。

石墨烯作为新兴二维材料的典型代表，由于其优异的力学和润滑特性，为解决固体表面的摩擦和磨损难题带来了新的契机。近期研究发现，石墨烯尽管拥有超高的力学断裂强度，然而在实际摩擦应用中仍频繁出现失效现象。人们对其失效的机理以及破坏过程中表面构型、周边环境和基底的影响，仍未有清楚的认识。本项目从纳米尺度上对石墨烯的摩擦和磨损行为及其调控开展了系统的研究。.首先，我们搭建了基于AFM系统的石墨烯磨损测试平台，建立了纳米尺度摩擦和磨损表征的试验方法。.第二，基于上述平台和方法，我们实验研究了石墨烯的抗磨损性能，并结合计算模型揭示了其磨损机制。研究结果表明：石墨烯在受面内接触载荷作用下，其抵抗磨损的能力十分的突出，可以达到石墨烯的理论破坏强度；但如果接触摩擦过程中有跨石墨烯边缘的滑动，则其抵抗磨损的能力将大大降低。石墨烯边缘抗磨损能力的显著降低主要是由于边缘碳原子悬键具有较大的化学活性容易与探针作用粘连，而且石墨烯边缘在接触滑动中容易发生掀起而形成折叠撕裂。通过改变基底的刚度、粘附力和周边环境的湿度可以显著地影响这些破坏行为的发生。.第三，考虑到石墨烯等二维材料超强的面外变形能力，我们实验探究了基底晶体取向、表面粗糙度以及石墨烯表面化学改性等对石墨烯摩擦和磨损行为的影响，并结合模拟计算揭示了若干二维材料表面摩擦的力学调控机制。