碳基二维材料宏观超滑设计与机理研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李畔畔 |
| 答辩日期 | 2022-05-20 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李红轩,吉利 |
| 关键词 | 二维材料，宏观超滑，润滑机制，异质复合，纳米卷曲结构 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 其他题名 | 无 |
| 英文摘要 | 超滑是摩擦学领域的前沿科学问题之一，其工程应用有望为摩擦磨损问题的解决提供颠覆性方案。但仍限于在微观尺度、理想条件下获得，而宏观大尺度超滑的实现是目前研究的焦点和难点，对于推动超滑的实用化具有重要意义。本论文围绕二维层状结构超滑和纳米颗粒/二维复合超滑两类材料体系，开展宏观尺度超滑设计及相关机理的研究；鉴于超低温抑制界面间电子、原子相互作用的考虑，进一步开展了超低温下超滑获得途径的探索与机理方面的研究，主要研究内容和结果如下： 1. 针对二维层状结构超滑材料体系面临的宏观无序、缺陷以及大面积粗糙接触表面的问题，提出了“微纳点超滑”组合获得“宏观面超滑”的表/界面设计原理和方法：首先利用激光织构技术在工程钢基材表面主动构筑规则分布的方形微纳凹凸体，将宏观面接触分解为无数微纳点接触，然后在摩擦配副间设计制备石墨烯/二硫化钼（MoS2）二维复合润滑涂层，通过引入空气中、短时间的预磨合过程促进有序层状滑移界面的形成，通过离子/共价以及离子/离子多层复合设计阻隔层间强化学相互作用，通过异质晶格复配设计获得天然非公度接触状态，从而满足了结构超滑三方面的必要条件，即层层接触方式、层间弱化学相互作用和非公度晶格匹配，在每个接触点上获得结构超滑，然后组合扩展实现了在宏观接触尺度、工程粗糙基材表面上稳定、长效的超滑性能（摩擦系数0.007，寿命大于1×106转）。该设计原理对于多种二维复合材料以及高载荷（1 GPa量级）服役条件均表现出普适性。 2. 针对纳米颗粒/二维纳米片复合涂层与类金刚石薄膜摩擦副超滑材料体系存在的体系复杂和润滑机理认识不足的问题，聚焦于复杂体系中纳米颗粒的作用，通过对比研究SiO2纳米颗粒/石墨烯复合涂层在不同载荷驱动条件下的界面结构演变以及摩擦学性能，阐明了SiO2纳米颗粒在大载荷下具有促进石墨烯纳米片形核卷曲的作用；通过引入中空结构富勒烯纳米颗粒对比研究，阐明了实心结构的SiO2纳米颗粒在摩擦过程中同时具有承载宏观力的作用。在此基础上，采用SiO2纳米颗粒/石墨烯与钢球简单摩擦副材料体系设计，获得了宏观尺度超滑性能。 3. 在超低温真空条件下开展了石墨的摩擦学性能探索研究，发现石墨平面结构自卷曲为纳米卷轴结构的奇特现象。结合实验与分子动力学模拟研究了石墨结构、静态低温与动态摩擦力等因素的影响，揭示了纳米卷轴结构的形成机理：非平衡温度场中的温度差引起原子间距分布的不平衡，在石墨片上下表面产生反向的应力，驱动了石墨片边缘的自卷曲；摩擦剪切力进一步驱使其向更低、更稳定的能量态转化，形成了包裹密实的纳米卷轴结构。界面分子卷轴的形成会显著降低摩擦，并建立了分子卷轴结构与宏观润滑性能的量化关系，提供了一种利用超低温调控微观分子形貌以及宏观润滑性能的新思路。 |
| 页码 | 143 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/30073]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李畔畔. 碳基二维材料宏观超滑设计与机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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