KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 几种二维材料的微观摩擦学性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 胡丽芳 | |
| Thesis Advisor | 王金清 |
| 2019-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学硕士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 纳米摩擦 原子力显微镜 石墨烯 十八烷基三氯硅烷 过渡金属碳化物 Nanofriction Atomic Force Microscope Graphene Octadecyltrichlorosilane Transition Metal Carbides |
| Abstract | 研究摩擦副界面上的纳米摩擦学特性对于有效降低微/纳机电系统（MEMS/NEMS）的摩擦和磨损具有重要意义。以石墨烯为代表的层状结构二维纳米材料的出现无疑为该研究提供了一个新的契机。此外，原子力显微镜（AFM）相关技术的发展为纳米摩擦学研究提供了重要的平台和手段。研究者利用AFM对各种层状结构二维晶体材料的纳米摩擦学性质开展了大量研究工作，在实验及理论方面取得了显著的进展，但在如何选择新型的二维纳米材料来获得低摩擦方面还缺乏系统的实验和理论指导。本论文首先对AFM相关技术进行了仔细的归纳和梳理，然后利用AFM对几种二维晶体材料的纳米摩擦学性质进行了研究，主要的研究内容和结果如下： （1）首先对AFM的工作原理和常用工作模式进行了全面而深入的分析，并阐述了其在纳米摩擦学方面的研究进展。然后归纳了与摩擦力和粘附力密切相关的法向弹簧常数和横向弹簧常数的校准方法及这些方法的优缺点。本论文涉及的工作主要基于具有NanoScope控制器的原子力显微镜展开，法向弹簧常数和横向力常数分别采用ThermalTune法和Wedge法进行校准。 （2）以上述AFM工作原理和校准方法为指导，设计了由二维晶体材料和自组装膜组成的一系列摩擦副系统。首先将机械剥离的石墨烯片（Gr）和十八烷基三氯硅烷自组装膜（OTS-SAMs）分别制备在二氧化硅基底（SiO2/Si）上，然后利用未被修饰和用OTS-SAMs修饰的AFM针尖分别与SiO2/Si、Gr和OTS-SAMs表面组成六对摩擦副，最后利用AFM对其纳米摩擦学行为进行了系统研究。结果发现，与未修饰的针尖相比，用OTS-SAMs修饰的针尖所测得的摩擦力和粘附力均较低，其中OTS-SAMs和Gr组成的摩擦副界面表现出超低摩擦行为。通过不同湿度条件下的摩擦实验和理论分析表明，低摩擦特性主要是由于该组摩擦副材料的疏水性质和天然非公度接触所引起的。疏水性使得AFM针尖和材料表面毛细作用力减小，从而导致摩擦力减小；而相对滑动过程中两种材料的天然非公度接触进一步促使超低摩擦的实现。 （3）除了对经典二维材料石墨烯进行纳米摩擦学研究外，我们还对新型层状结构二维过渡金属碳化物晶体材料（MXene）的摩擦学性能进行了探究。首先，有别于传统的利用MAX相剥离法制备MXene，我们利用CoSO4和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）自组装成有序阵列然后通过高温碳化制备并比较了二维材料Co3C及其复合物的性质。然后，对该材料进行了初步摩擦学研究，结果表明其表面摩擦力和粘附力均小于SiO2，证明其具有一定的减摩抗磨性能，作为固体润滑剂时有望弥补其他二维晶体材料的某些不足。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25299 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 胡丽芳. 几种二维材料的微观摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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| 201935胡丽芳.pdf（4505KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
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