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自从石墨烯被发现以来,多种优异性质使其具有广阔的研究前景,也蕴含着巨大的应用价值。石墨烯被认为是未来微纳米器件的重要材料,也是固体润滑的革命性物质,但是人们对其摩擦学的认识却非常有限。研究它的摩擦机理与表面行为,不仅能够提高人们对于摩擦和粘着原理的理解,而且对微纳米机电系统(M/NEMS)的发展也起到重要的推动作用。 本文运用分子动力学方法建立了纳米尺度下的微凸体接触模型,并在不同载荷下分别对硅探针在金刚石基底、支撑石墨烯和悬浮石墨烯上滑动的摩擦过程进行模拟。对比金刚石基底与支撑石墨烯的模拟结果,发现当金刚石基底平铺一层石墨烯后,摩擦力将大为降低。结合Tomlinson模型得知,金刚石基底平铺石墨烯后将使得表面能垒骤降,由此造成了探针的持续超滑现象。多层支撑石墨烯的模拟结果表明,褶皱是产生Lee实验现象的主要原因,即支撑石墨烯摩擦力随着层数增加而降低。模拟中使用小尺寸、较软的硅探针无法推动石墨烯产生褶皱,石墨烯仅仅发生微小的凸体变形,此微小变形对摩擦力的影响甚小,故不同于Lee的实验现象,硅探针在不同层数支撑石墨烯上滑动受到的摩擦力基本相等。 在对悬浮石墨烯摩擦性质的研究中,证明了石墨烯摩擦力可以由传统滑动摩擦力和弹性变形引起的粘弹性力组成。模拟结果表明粘弹性力在某些较大载荷下是悬浮石墨烯摩擦力的主要部分,由此产生了单层悬浮石墨烯中奇异的探针尺寸效应,探针尺寸越大摩擦力反而越小。另外,在多层悬浮石墨烯中因为层数越少,石墨烯的变形量和粘弹性力越大,从而在一定载荷下使得石墨烯摩擦力随着层数的增加而降低,证明了弹性变形对薄层材料摩擦力具有决定性作用。