论文部分内容阅读
MoS2纳米材料因具备特殊的光电、摩擦、储能和催化特性,被广泛应用于光电子器件、电化学储能器件和微/纳传感器。在纳米尺度的界面相互作用中,接触面积、黏附力和临界剪切应力等界面参数对纳米材料摩擦性能起决定性作用。建立更适用于描述纳米尺度摩擦现象的理论模型,对于准确调控纳米材料界面性能具有重要意义。深入研究纳米材料摩擦性能与材料参数、外部载荷之间的关系,有助于提高微/纳米器件的摩擦学稳定性。本文研究内容如下:(1)基于Amonton定律和原子力显微镜(AFM)基本原理,提出了一种探针横向力快速标定的方法。在AFM的横向力模块下,分别用硅片和白云母片对硅探针进行了标定,其标定结果与传统两步法标定相比最大标定误差分别为1.66%和6.39%。该方法克服了传统横向力标定过程中标定样品制作成本高、实验与数据处理过程繁杂和传递误差大的缺点。同时该方法保证了标定精度,能满足纳米材料摩擦性能测试中快速标定探针横向力的需求。(2)使用AFM和拉曼光谱仪表征了微机械剥离法所制备MoS2纳米片的表面形貌和厚度。实验结果表明MoS2纳米片拉曼振动峰间距会随着层数降低而缩减,单层和多层MoS2峰值间距为18～25 cm-1。通过横向力模块测得MoS2纳米片的摩擦系数为0.001～0.007,实验结果表明MoS2纳米片的摩擦系数会随着厚度的增高而变大,同时单层MoS2纳米片在发生原子级的摩擦时具有明显各向异性。研究MoS2纳米片的摩擦系数和各向异性,对推进超润滑技术、实时晶体取向检测技术和高精度超声马达技术的发展具有重要参考意义。(3)基于界面摩擦理论和Johnson-Kendall-Roberts(JKR)弹性接触理论,提出B-JKR模型来描述纳米摩擦界面之间临界剪切应力与摩擦力、载荷和黏附力等力学参数之间的关系。利用AFM的横向力模块和力图模块,直接测量了纳米材料的临界剪切应力。实验表明单层MoS2纳米片和石墨烯的平均临界剪切应力分别为0.24 GPa和0.69 GPa。与体材料相比,MoS2纳米片和石墨烯具有更低的临界剪切应力和摩擦系数,这种现象与纳米摩擦学理论相符合。临界剪切应力不仅可以定量表征纳米材料摩擦性能,还能反应不同加载区间材料摩擦性能的变化。在纳米材料滑动接触过程中,利用临界剪应力分布图分析纳米装置的局部摩擦性能,对于保证纳米机电系统的摩擦学可靠性和系统稳定性具有重要意义。